大渡河双江口水电站施工导流规划与设计

2017-12-01陈世全龙军飞李玉珠吴显伟

水利规划与设计 2017年10期

关键词：导流洞蓄水围堰

张超，陈世全，龙军飞，李玉珠，吴显伟

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

大渡河双江口水电站施工导流规划与设计

张超，陈世全，龙军飞，李玉珠，吴显伟

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

大渡河双江口水电站砾石土心墙堆石坝坝高达312.00m，为世界第一高坝，其工程规模宏大，导流条件复杂。综合考虑地形地质条件、枢纽布置、大坝施工等特性，施工导流分初期、中期和后期导流三个阶段。文章从导流方式、导流标准、导流程序、导流建筑物设计、下闸封堵，以及初期蓄水与生态供水等方面简要介绍了双江口水电站施工导流设计的主要内容，为类似特高心墙堆石坝施工导流规划与设计提供借鉴。

施工导流；导流程序；导流建筑物；生态供水；双江口水电站

1 工程概述

大渡河双江口水电站位于大渡河流域水电规划“3库22级”开发方案的第5级，是流域上游控制性水库［1］。工程为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽工程由拦河大坝、泄洪建筑物、引水发电系统等组成。拦河大坝为土质心墙堆石坝，坝高达312.00m，坝顶高程2510.00m，为目前世界第一高坝。泄水建筑物包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、竖井泄洪洞和放空洞，其中洞式溢洪道、直坡泄洪洞及利用2#导流洞改建的放空洞位于右岸，利用3#导流洞改建的竖井泄洪洞位于左岸。引水发电系统布置于左岸，发电厂房采用地下式，厂内安装4台立轴混流式水轮发电机组，电站装机容量200万kW，多年平均年发电量约77.07亿kW·h。经多方面论证，双江口水电站建设的总体进度目标为：2015年汛后截（分）流、2022年底首台机组发电、2024年6月完工。

施工导流设计作为大型水电工程建设成败的关键环节，对其进行系统研究意义重大［2］。本文针对双江口坝高库大，导流条件复杂，牵扯因素众多等特点，从多个方面系统介绍施工导流设计的主要内容，为确保工程施工安全与质量，优化施工方案提供技术支撑。

2 导流方式

双江口水电站坝区河段洪水量大、历时长，坝址段河谷深切，谷坡陡峻，河谷呈略不对称的“V”型谷，大坝心墙基础需开挖至基岩，不具备明渠或分期导流条件。并且两岸山体雄厚，基岩出露，岩性以花岗岩为主，具有良好的隧洞布置条件，因此采用隧洞导流方式。

心墙堆石坝结构特性要求大坝施工期基坑不宜过水。同时，本工程规模巨大，发电经济效益和社会效益显著，控制第一批机组发电的关键线路为坝体施工，而大坝基础处理及坝体填筑工程量大，若采用枯期导流时段，汛前大坝填筑形象面貌难以满足挡水度汛的要求，从而影响发电工期，因此采用全年导流时段。

综上所述，本工程采用“围堰全年挡水、隧洞导流”的导流方式。

3 导流标准

根据大坝施工进度、导流方案等，施工导流分为3个阶段，即初期、中期和后期导流。

3.1 初期导流标准

导流建筑物级别为3级，对于土石类导流建筑物，相应的导流标准为重现期50～20年。本工程水文实测和历史洪水考证年限相对较长，样本数量较多，经统计分析得到的频率洪水分布比较接近河流的自身特性，稳定性较好，历史上曾发生过大于30年一遇的洪水，考虑到本工程规模巨大，围堰失事将对工程造成重大损失。采用风险决策等方法［3］对不同标准进行技术经济比较，最终选定重现期50年一遇作为初期导流标准，相应设计流量4790m3/s。

3.2 中、后期导流标准

根据施工进度安排，结合规程规范，2020、2021年坝体施工期临时度汛标准分别选用100年一遇和200年一遇，相应设计流量5300、5810m3/s。

2021年11月1#导流洞下闸封堵，2022年坝体度汛选用300年一遇（500年校核）设计标准，相应设计流量为6080（6460）m3/s；2020年9月底坝体填筑到2426.00m，超过死水位2420.00m高程，大坝具备死水位发电条件。2022年12月底第一台机组开始发电，2023年坝体度汛标准选用500年一遇（1000年校核）洪水标准，相应设计流量为6460（6960）m3/s。

3.3 截流、下闸、封堵及蓄水标准

本工程规模巨大，按期截流、下闸及蓄水发电，经济效益显著，设计洪水标准宜选用规范规定的上限值。

截流标准采用10年一遇旬平均流量，截流时段为2015年11月中旬，相应流量为399m3/s。

导流洞下闸标准采用10年一遇旬平均流量。

导流洞封堵施工时段采用20年一遇洪水标准。

水库蓄水标准为保证率75% ～85%，本工程按保证率上限85%考虑。

4 导流程序

由于枢纽工程规模巨大，围堰工程量也相对较大，上游围堰堰基防渗采用的封闭式混凝土防渗墙最大墙深71m，堰体最大高度56m。在基础处理工程量大的情况下，一个枯期完建实现挡水、度汛，难度较大。因此，根据工程实际进展情况，围堰防渗墙及堰体填筑分两个枯水期施工。计划于2015年进行分流，分流后由1#导流洞及过水围堰过流，2016年进行河床截流。

初期导流从2015年11月中旬分流，到2020年2月坝体填筑超过围堰顶高程，共40个月，期间由上下游围堰挡水，1#导流洞过流。2016年11月上旬工程截流，1#导流洞过水，填筑上、下游围堰。2017年 5月底，围堰竣工。2017年 6月至2020年2月，1#导流洞下泄设计洪水（50年一遇洪水）4790m3/s时，上游水位2305.20m，上游围堰顶高程2308.00m。

中期导流从2020年3月到2021年10月底1#导流洞下闸前，共20个月。2020年2月，坝体填筑到2309.00m，此时坝体施工可不需要围堰保护。2020、2021年汛前，坝体分别填筑至 2320.00、2368.00m高程，由坝体临时断面形成的库容分别为0.55、2.64亿m3，其坝体临时挡水度汛洪水标准分别选用100年一遇和200年一遇，流量分别为5300、5810m3/s，此时由坝体挡水，1#导流洞泄流、度汛，相应上游水位为 2314.10m和2323.70m。

后期导流从2021年11月～2024年4月，共30个月。2021年11月1#导流洞下闸，2021年11月～2022年4月，1#导流洞堵头施工，由1#导流洞封堵闸门和坝体挡水，2#导流洞泄流。1#导流洞堵头施工初期，由布置在左岸的施工期生态供水洞向下游供水，以满足下游环保用水要求，堵头施工后期由布置在右岸的2#导流洞向下游供水。

2022年5月底坝体填筑至高程2418.00m，2022年6月～2022年9月坝体挡水度汛设计洪水标准选用300年一遇，校核洪水标准选用500年一遇，流量分别为6080、6460m3/s，由坝体挡水，2#导流洞联合3#导流洞泄流、度汛，相应上游水位分别为2409.35m和2413.49m。

2022年9月底坝体填筑至2426.0m，超过死水位2420.00m高程，工程具备蓄水发电条件。2022年10月底安排2#导流洞下闸，11月底库水位蓄至2420.00m后，12月底第一台机组即可投入运行。2022年10月～2021年4月封堵2#导流洞，并改建成放空洞，封堵堵头施工期间由2#导流洞封堵闸门和坝体挡水，3#导流洞泄流。工程发电后由3#导流洞、放空洞、深孔泄洪洞和提前发电机组单独或联合泄流、度汛，并调节发电水位保持在最低发电水位2420.00m高程以上。

2023年5月底坝体填筑高程至2468.00m，2023年6月～2023年10月坝体挡水度汛设计洪水标准选用500年一遇，校核洪水标准选用1000年一遇，流量分别为6460、6960m3/s，此时由坝体挡水，3#导流洞联合放空洞、深孔泄洪洞及提前发电机组单独或联合泄流、度汛，调蓄后相应上游水位分别为2447.60m和2451.11m。

2023年11月初3#导流洞下闸，2023年11月～2024年4月，3#导流洞堵头施工，封堵堵头施工期间，由3#导流洞封堵闸门和坝体挡水，放空洞联合深孔泄洪洞泄流并保持上游水位在2425.00m左右。

2024年4月底，坝体完建，由永久泄水建筑物过流。

5 导流建筑物设计

双江口水电站导流建筑物由上、下游围堰，3条导流洞和1条生态供水洞组成，其中1#导流洞、3#导流洞和生态供水洞布置于左岸，2#导流洞布置于右岸，总体平面布置如图1所示。

图1 导流建筑物平面布置图

5.1 围堰设计

上游围堰为全年土石围堰，与大坝上游压重区全结合，采用复合土工膜心墙接混凝土防渗墙型式。堰顶高程2308.00m，最大堰高56m，堰顶轴线长约245m，堰顶宽度12m，上游坡比为1∶2.00，下游坡比为1∶1.75。堰体采用复合土工膜心墙进行防渗，复合土工膜最大高度36m，堰基防渗采用封闭式混凝土防渗墙，防渗墙最大深度71m，墙下设帷幕灌浆。防渗墙施工平台以下防渗体及堆筑体为分流过水围堰，先行施工。

下游围堰为全年土石围堰，与大坝下游压重区全结合，采用复合土工膜心墙接混凝土防渗墙型式，堰顶高程2265.00m，围堰最大堰高20m，堰顶轴线长约157m，堰顶宽度10m，上游坡比为1∶1.75，下游坡比为1∶2.00。堰体采用复合土工膜心墙进行防渗，复合土工膜最大高度10.50m，堰基防渗采用封闭式混凝土防渗墙，防渗墙最大深度72m，墙下设帷幕灌浆。防渗墙施工平台以下防渗体及堆筑体为过水围堰，先行施工。

5.2 导流洞设计

结合水工枢纽布置及坝区地形、地质条件，对导流洞布置方案进行研究时，考虑主要布置原则有：①充分考虑导流建筑物与水工永久建筑物的结合，以减少工程投资，中、后期导流尽量利用永久泄洪建筑物；②导流建筑物的布置，除满足过流要求外，还需考虑下游生态供水及封堵闸门下闸、挡水和运行等条件要求。

根据本工程大坝施工进度安排，为降低导流洞运行期、封堵期风险，同时兼顾防洪发电及下游供水要求，选择导流建筑物分三层布置：1#导流洞布置在左岸，进口高程 2261.00m，出口高程2247.00m；2#导流洞布置在右岸，进口高程2340.00m，出口高程2260.0m，与放空洞部分结合；3#导流洞布置在左岸，进口高程2360.00m，出口高程2273.86m，与竖井泄洪洞部分结合。

（1）初期导流洞

综合考虑单洞泄量、隧洞布置条件、隧洞结构、截流、下闸封堵及投资等技术经济指标，确定初期导流采用1条导流洞方案。综合比较导流工程运行、投资情况，同时满足围堰在一个枯水期完建挡水要求，并结合导流模型试验成果确定1#导流洞断面为15m×19m（宽×高），相应上游围堰最大高度为56m。1#导流洞布置在左岸，洞线采用双弯道布置，进口高程为2261.00m，出口高程为2247.00m，洞身长度1522.61m。

（2）中后期导流洞

综合分析水工泄水建筑物布置、中后期导流坝体挡水度汛要求，导流洞运行、封堵，尽量降低工程投资等要求，两岸各布置一条2#、3#导流洞。

2#导流洞布置在右岸，采用长有压隧洞接无压隧洞形式，无压段与水工放空洞以“龙抬头”方式部分结合。2022年11月～2023年4月，2#导流洞下闸封堵后，改建成放空洞。2#导流洞按长有压隧洞设计，总长1999.40m。导流洞进口设置岸塔式闸室，进口底高程为 2340.00m，塔顶高程2380.00m，后接方圆形有压隧洞，渐变段长为20m，有压洞尺寸 9m×13.5m（宽 ×高），长度727.14m，有压段出口采用1∶4压坡结构，出口断面尺寸9m×10.5m（宽×高），2#导流洞在桩号0+627.14m前隧洞底坡4.15‰，0+627.14m至有压出口压坡段底坡2%。无压段采用城门洞型断面，长1224.26m，底坡6.11%，尺寸11m×15.5m（宽×高）。

3#导流洞布置在左岸，与竖井泄洪洞部分结合布置，按短有压隧洞设计。2023年11月～2024年4月，3#导流洞下闸封堵后，改建为竖井泄洪洞。3#导流洞布置在左岸，与竖井泄洪洞部分结合布置，隧洞进口底高程2360.00m，出口底高程2273.86m，洞身全长 1593.45m，隧洞底坡5.41%，其中结合段长933.21m。3#导流洞按短有压隧洞设计，进口设置岸塔式闸室，闸室尺寸50m×20.5m×94m（长 ×宽 ×高）。进口闸室内设置平板封堵闸门及调洪水位发电的工作闸门，平板门孔口尺寸10.5m×11m（宽 ×高），工作门孔口尺寸10.5m×9m（宽×高），其间采用1∶5的水流压板，工作闸门后无压隧洞尺寸12m×16m（宽×高）。

5.3 施工期生态供水洞设计

由于1#导流洞进口高程与2#导流洞进口高程高差较大，经初步蓄水计算，按11月上旬85%蓄水保证率来量269m3/s，将水蓄至2#导流洞进口底高程2340.00m下游需断水4.8天。

施工期生态供水洞布置在左岸，其任务是完成1#导流洞下闸后向下游供水，直至水位上升至2#导流洞进口高程以上，并由2#导流洞下泄供水。

施工期生态供水洞采用有压隧洞后接无压隧洞型式，进口高程2268.00m，出口高程2253.00m，隧洞全长1456.23m，分为有压段、闸室段、无压段。其中有压段为城门洞型，断面尺寸4.50m×6.00m（宽×高），长138.30m，底坡为平坡；闸室段长15.00m，闸室底高程2268.00m，内设弧形控制闸门，尺寸4.50m×5.50m（宽×高）；无压段为城门洞型，断面尺寸5.50m×6.50m（宽 ×高），长1302.94m，底坡1.15%。

6 下闸封堵

本工程各导流洞和生态供水洞完成相应使命后均需进行封堵，堵头结构均为1级建筑物，结构安全级别1级，经堵头稳定计算，结合大坝施工进度安排和水文条件等，拟定各隧洞下闸封堵计划表如表1所示。

7 初期蓄水发电与生态供水

根据水利部水资源论证规范要求，结合本工程河道水文情况，初期蓄水期间须满足向下游供水的流量不小于121m3/s。为此，在2268.00m高程设置施工期生态供水洞，利用弧形工作闸门控制下泄流量。

表1 隧洞下闸封堵计划表

各时段蓄水标准均为来水保证率为85%的流量。1#导流洞2021年11月下闸封堵，1#导流洞采用单孔接力下闸，待上游水位超过2275.60m后全部下闸，后由施工期生态供水洞向下游供水。

11月85%保证率流量为269m3/s，在满足向下游供水121m3/s流量前提下，蓄水分两阶段进行。①第一阶段（下闸至 2320.00m）：第一阶段水位2320.00m以下坝前水位上升速度对坝体稳定影响较小，坝前水位上升速度不控制，水位由2275.60m蓄至2320.00m需历时4.1天；②第二阶段（2320.00～2343.70m）：水位在2320.00m以上，坝前水位上升速度对坝体稳定影响较大，应控制水位上升速度。因高水位时施工期生态供水洞泄量较大，可满足控制坝前水位上升速度要求，第二阶段按1m/天蓄水速度将水位由2320.00m蓄至2343.70m（2#导流洞进口高程为2340.00m，此时满足下泄121m3/s要求）需历时23.7天。

2022年9月底，坝体填筑到2426.00m高程，超过最低发电水位2420.00m高程，工程具备蓄水发电条件。2022年10月下旬2#导流洞下闸，下闸初期由进口闸门局开使上游水位至3#导流洞进口高程2360.00m，后由3#导流洞调节控制下泄流量，水库开始蓄水。3#导流洞进口高程2360.00m对应库容2.09亿m3，发电死水位2420.00m，对应库容为8.15亿 m3。蓄水标准采用10月下旬保证率85%的流量514m3/s。

经初步计算，在满足向下游供水121m3/s流量前提下，上游水位由2#导流洞蓄至3#导流洞进口需95h，此后在满足坝前水位上升速度要求前提下，按1.5m/天蓄水速度将水位由3#导流洞蓄至发电死水位2420.00m需历时40天。经一个月的调试，2022年12月底第一台机组可投入运行。