某水电站枢纽截流方案设计

2016-06-12李峻岭

工程与建设 2016年1期

关键词：方案设计水电站

李峻岭,　姜　鹏

(1.安徽省水利水电勘测设计院, 安徽合肥　230022; 2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院, 贵州贵阳　550081)

某水电站枢纽截流方案设计

李峻岭1,姜鹏2

(1.安徽省水利水电勘测设计院, 安徽合肥230022; 2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院, 贵州贵阳550081)

摘要：文章结合某水电站枢纽具体工程案例，论述枢纽施工导流中河道截流的设计过程，并对水力参数进行详细计算。工程采用立堵法截流，自左岸向右岸进占，预留龙口宽度为45 m，龙口最大截流流速为4.73 m/s，最大单宽流量为21.45 m3/(s·m)，截流采用石渣、块石截流和3 t块石串，平均抛投强度为446 m3/h，最高抛投强度为580 m3/h。

关键词：水电站；截流；方案设计

1工程概况

某水电站枢纽位于贵州省北盘江干流,是北盘江干流水电梯级开发的重要枢纽工程,水库正常蓄水位为585 m,相应库容为1.365亿m3,电站装机容量为558 MW。工程属Ⅱ等工程,工程规模属大(2)型[1]。枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、引水系统、地下厂房及尾水系统5个部分组成。

枢纽坝址处河床狭窄,两岸较陡,洪枯流量变幅较大,采用分期导流或明渠导流方式空间不足,边坡开挖支护工程量大,工期长和投资多,且受河床束窄影响,水位壅高较多,纵向围堰和明渠的施工难度较大,因此,拟采用断流围堰及隧洞导流方式。上游围堰采用土石过水围堰加子围堰的结构形式,下游围堰为土石过水围堰。上游围堰过水部分堰顶高程为522.60 m,子堰顶高程为527.60 m,下游围堰堰顶高程为518 m。根据类似工程经验[2],导流隧洞为城门洞型断面,尺寸为11 m×12 m (宽×高),顶拱半径为7 m,直墙高为9.33 m,过流面积为123.104 m2。

2截流设计

2.1截流时段及流量选择

河道枯水期一般可分为汛后退水期(前段)、稳定枯水期(中段)和汛前迎水期(后段)[3]。截流时段应尽可能在枯水期较小流量时截流,并综合权衡截流、围堰施工困难程度,合理利用枯水期[4]。根据水文资料,北盘江一般从10月下旬进入枯水期,为保证上、下游围堰及基坑排水施工进度,满足主体工程施工工期要求,截流时间确定为11月上旬,采用5年一遇,11月上旬旬平均流量Q20%=303 m3/s作为截流设计流量。原河床戗堤处水位高程为508 m,最大水深约为5 m。

2.2截流方式选择

常用河道截流方法有立堵法、平堵法2种,特殊截流方法有下闸截流、定向爆破截流法、梢捆、杩槎截流及水力冲填等[5]。其中,立堵法又分为单向进占和双向进占2种。本工程重点考虑立堵法和平堵法2种截流方式。

立堵法具有准备工作简单、造价较低及国内工程实践经验丰富的优点,但是立堵法水力学条件较差,河床冲刷严重,龙口处抛投体质量较大。平堵法龙口单宽流量较小,最大流速较低,且流速分布比较均匀,对河床冲刷小,截流材料单个质量较小,截流时工作前线长,抛投强度高,施工进度较快,但是平堵法要求先架设浮桥或栈桥,准备工作复杂[6]。

本工程坝址处于深切河谷,河床左岸相对较缓,公路布置条件相对较好;河床右岸覆盖层较浅,有基岩出露,抗冲刷能力强,具备做龙口条件。考虑到本工程工期紧张,平堵法架设栈桥困难,投资大,且施工截流机械化程度高,而立堵法在大型工程中施工经验丰富,因此,本工程采用立堵法截流。选择在上游围堰截流,龙口设在右岸,自左岸向右岸进占。截流戗堤轴线定在上游围堰轴线下游47 m,戗堤顶宽15 m,戗堤上游边坡坡度为1∶1.25,下游坡度为1∶1.5,堤头为1∶1.5。根据导流期间设计洪水及导流隧洞泄洪计算,设计戗堤顶高程为515.8 m,戗堤总长为56 m,预留龙口宽为45 m。

2.3截流水力计算

戗堤预进占按10月下旬频率5年一遇的旬平均流量为431 m3/s设计,预进占区戗堤进占长度为11 m。龙口区进占按11月上旬频率5年一遇旬平均流量为303 m3/s设计,戗堤进占长度为45 m。

戗堤进占可划分为如下2个阶段:

(1) 第1阶段。戗堤进占直至坡角接触龙口对岸形成三角形断面为止,即龙口宽度B≥2mh,戗堤堤头边坡系数m=1.5,h为戗堤高度,即龙口宽度B≥3h。

(2) 第2阶段。戗堤坡角已接触龙口对岸,而形成三角形断面后直至最后合龙,即B<3h。

一般情况下截流时,河道截流设计流量[4]为

(1)

其中,Qg为龙口泄流量;Qd为分流建筑物分流量;Qr为上游河槽调蓄流量;Qs为戗堤渗流量。

本工程由于上游水库水面面积与水位上升率不大,上游河槽调蓄流量不大,偏保守考虑,不计上游河槽调蓄流量。根据戗堤上游水位,分别计算龙口泄流量、导流隧洞分流量和戗堤渗流量。

根据判别,导流隧洞属短洞,其分流量Qd按下式计算[4]为

(2)

其中,m为流量系数,取m=0.35;∂s为淹没系数,自由出流时,取∂s=1;b为隧洞口平均水面宽;H0为隧洞上游水头。

龙口泄流量Qg按下式计算[4]为

(3)

戗堤渗流量Qs按下式计算[4]为

(4)

(5)

根据(2)～(4)式,计算不同上游水位条件下的Qd、Qg和Qs,绘制不同水位及龙口宽度条件下的流量曲线,作水力计算图解表(图略)。根据水力学连续性方程求得龙口平均流速v[7]。经计算,龙口水力学特性指标见表1所列。

表1　龙口水力学特性表

2.4截流材料选择

由于截流落差在龙口宽度25 m、15 m、5 m时都大于3.5 m,龙口水流能量大,流速高,截流难度大,需采取措施降低落差[8]。根据类似工程截流经验[9],选择龙口宽度10 m、落差6.31 m为截流控制条件,其措施采用下游围堰预进占,将落差分配为上游围堰处3.31 m,下游围堰处3.0 m。

截流用料主要为左岸卡沙坪弃渣场料,截流用大块石在左岸马场坡料场选用,堆放于戗堤旁边。抛投块体粒径根据下式计算为

(6)

其中,d为石块的当量直径;g为重力加速度;rs、r为块石、水的容重;v为计算流速;K为稳定系数,取0.9。经计算,不同龙口宽度最大抛石粒径见表2所列。

表2　最大抛石粒径计算成果表

根据设计断面计算戗堤工程量,局部除采用石渣和块石截流外,选用3 t块石串进行龙口截流。经计算,预进占区设计总抛投量为0.45万m3,龙口区设计总抛投量为1.69万m3。考虑30%的备料量,预进占区总抛投储料量为0.59万m3,龙口区总抛投储料量为2.20万m3。

3截流施工

采用挖掘机、装载机、汽车起重机、推土机及20 t自卸汽车进行截流施工,初步拟定48 h合龙,经计算,本次截流平均抛投强度为446 m3/h,考虑施工强度不均匀系数后,最大抛投强度为580 m3/h。采用20 t自卸汽车运料,戗堤顶单位宽度平均小时车次为2.5车/h,戗堤顶单位宽度最大小时车次为3.3车/h。截流前,由预进占段结合左岸截流公路部开挖,形成一个30 m×20 m的回车场,来料车一字排开停放于左岸2#公路旁,根据施工强度需要,并参考类似工程成功截流经验,左岸布置25辆20 t自卸汽车,卡沙坪渣场布置2台装载机、1台挖掘机及1台汽车吊。

4结束语

截流在施工导流中占有重要的地位,是控制施工导流甚至整体工程施工进度的一个控制项目。截流无论在技术上还是施工组织上,都具有相当的艰巨性和复杂性,如果截流失败,失去了以水文年计算的良好截流时机,则可能拖延工期一年。因此,截流工程应进行周密设计和施工组织[10]。本文简单论述了截流设计过程,对于重要或难度较大的截流工程,在周密设计的基础上,还应进行水工模型试验验证,并提出截流期间相应的观测设施。

〔参考文献〕

[1]SL252-2000，水利水电工程等级划分及洪水标准[S].

[2]夏言华，任金明，林淀翔，等.莲花水电站的施工导流和截流设计[J].水力发电，1997(5):22-25.

[3]宋孝玉，马细霞.工程水文学[M].郑州:黄河水利出版社，2009.

[4]水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册[M].北京:中国水利水电出版社，1996.

[5]颜宏亮，于雪峰.水利工程施工[M].郑州:黄河水利出版社，2009.

[6]《水利水电工程施工手册》编委会.水利水电工程施工手册[M].北京:中国电力出版社，2002.

[7]吴持恭.水力学[M].北京:高等教育出版社，2008.

[8]魏璇.水利水电工程施工组织设计指南[M].北京:中国水利水电出版社，1999.

[9]陈伟锋，秦中平，吴朝月，等.土卡河水电站施工导截流设计[J].云南水利发电，2006,22(6):18-20.

[10]SL303-2004,水利水电工程施工组织设计规范[S].

收稿日期：2015-12-18；修改日期：2016-03-02