曲河水库大坝施工导流及度汛方案研究

(内江水利电力建筑勘察设计研究院，四川 内江，641000)

1 工程概况

曲河水库是四川省“十二五”开工建设的中型水库，工程位于广元市青川县清江河上游曲河乡境内，水库集雨面积797km2，正常库容4870万m3，总库容5925万m3，调节库容4256万m3。工程开发任务是农业灌溉、乡镇和农村生产生活用水、防洪、发电等综合利用，设计灌溉面积6.15万亩，供水人口13.9万人，电站装机容量为10MW。曲河水库工程由水库枢纽工程、关庄取水枢纽工程、灌区工程和电站工程组成，属Ⅲ等中型工程。

水库枢纽由钢筋混凝土面板堆石坝、开敞式溢洪道、泄洪(放空)洞等组成。大坝坝轴线全长226.0m，坝顶高程801.00m，最大坝高74.0m，坝顶宽度8.0m。正常蓄水位797.00m，设计洪水位798.90m，校核洪水位799.88m。溢洪道紧靠大坝右坝端布置，轴线长366.00m，由进水渠、控制段、泄槽段、挑流段和护坦组成。泄洪(放空)隧洞布置于大坝左岸山体内，隧洞长513.0m，进口底板高程758.00m，隧洞断面为圆形，洞径7.5m。工程于2014年6月动工修建，截止2019年3月，水库枢纽主体工程已基本完成。

图1 曲河水库总体布置

2 施工导流及度汛方案研究

2.1 导流方案拟定

在进行导流方案拟定时，需确定各方案导流洞洞径大小。导流洞洞径大小与导流流量正相关，一般导流流量越大需要的导流洞洞径也越大。但在相同导流流量下，导流洞洞径和围堰高度呈负相关，即导流洞径越大，围堰高度越小，导流洞洞径越小，围堰高度越大。因此，为确定最优的导流洞洞径，最终将体现在临建投资上，即导流洞+围堰投资最小时的导流洞洞径为最优。

图2 导流洞洞径～投资关系

根据现场地形地质条件，现场左、右岸地形较陡峻，为典型“V”型河谷，河床宽度较窄，具备导流洞过流条件，导流洞可与泄洪(放空)洞采用“龙抬头”结合，泄洪洞洞径7.5m。结合工程实际情况，通过洪水特性分析，拟定全年围堰导流方案、枯期围堰汛期临时坝体挡水方案、枯期围堰汛期临时坝体过流方案进行比较，三个方案各有优缺点，现将各方案简述如下：

(1)全年围堰导流(方案一)

该方案围堰需经历汛期，为增加施工保证率，导流标准取上限20年一遇(P=5%)，相应导流流量为2060m3/s。由于导流流量较大，在利用左岸泄洪(放空)洞作导流洞的基础上，需新增一条导流洞(洞径7.5m)满足施工导流要求。围堰顶高程769.00m，顶宽5.0m，围堰长130m，高度27m，围堰填筑量15.9万m3，工程施工总工期32个月。

(2)枯期围堰汛期临时坝体挡水(方案二)

该方案利用泄洪(放空)洞作导流洞，枯期导流标准为10年一遇洪水(P=10%)，导流流量为82m3/s，度汛标准为50年一遇，度汛流量为2550m3/s。围堰顶高程753.00m，顶宽5.0m，围堰长65m，高度11m，围堰填筑量1.8万m3。围堰使用时间为枯水期11月-次年4月，6个月的施工时间要求坝体填筑至大坝度汛高程，坝体度汛高程796.70m，临时坝体地面以上高度58.7m，临时坝体填筑量约85万m3，临时坝体填筑强度约29.7m3/月。工程施工总工期32个月。

(3)枯期围堰汛期临时坝体过流(方案三)

该方案导流洞前段洞径为4.0m，后段利用泄洪(放空)洞。枯期导流标准为10年一遇洪水(P=10%)，导流流量为82m3/s，度汛标准为20年一遇，度汛流量为2060m3/s。围堰顶高程753.00m，顶宽5.0m，围堰长65m，高度11m，围堰填筑量1.8万m3，围堰采用过水围堰，使用时间自挡水开始～坝前混凝土面板浇筑完成为止。坝体过流面高程796.70m，临时坝体地面以上高度15m，临时坝体填筑量约23万m3，临时坝体填筑强度约9.5万m3/月。工程施工总工期42个月。

2.2 方案比较

经同精度技术经济比较，三个方案比较成果见附表。

附表导流方案比较

注：导流洞工程中不含与放空洞结合的部分。

根据比较可知，方案一的临建投资太大，经济上不合理；方案三临建投资比方案二多151.53万元，但方案二中临时坝体挡水度汛的高程为796.70m，距离坝顶801.00m仅相差4.3m，填筑强度高达29.7万m3/月，通过对料场开采、施工道路及施工场地等施工条件的分析，施工难以达到。方案三虽临建投资较方案二略微增加，但临时坝体填筑强度较低，仅9.5万m3/月，同时也减轻了下一个枯水期坝体填筑压力(填筑强度约12.1万m3/月)，因此，方案三合理可行。

3 临时坝体防护

3.1 临时过流坝体高程确定

临时过流坝体高程与施工导流规划及工程进度安排密切相关，根据水库现场实际施工情况，4月上旬(汛前)临时过流坝体全断面填筑至753.00m。

3.2 流速分析

临时坝体断面高程为753.00m，坝体下游坝坡为1∶1.6，坝坡较陡，坡脚最低处高程约738.00m，高差较大达15m，临时坝体过流时水流易在坝面与下游坝坡结合处(转折)形成脱空，造成该部位淘刷严重并危害整个坝体，同时较陡的边坡也将加大水流对坝脚的冲刷。因此，为使坝体过流时形成较好的流态，降低对临时坝体转折处及坝坡的冲刷，考虑将坝体下游坝坡采用粒径较大的大块石放缓至1∶7，达到降低过流流速，简化防护措施的目的。

根据能量守恒定律，对坝面处断面(断面1)及坝坡处断面(断面2)分别列能量方程，则坝面处的动能和位能之和等于坝脚处动能+位能+断面间的能量损失，而能量损失主要由两断面间的沿程摩擦与水跃消能组成，能量损失大小与接触面的粗糙度、长度及水跃类型有关。两段面能量方程如下：

式中：μ为接触面的摩擦系数；L为两断面间的接触面的长度；△E为水跃消能损失；θ为坡角。

通过对坝面过流过程分析，经计算，得出下游坝面的流速为7.8m/s～10.6m/s之间，流速较大，需采取相应措施加以保护，保证安全。

3.3 防护设计

3.3.1 上游坝坡防护

大坝采用混凝土挤压边墙施工方法，由于挤压边墙强度不高，为防止上游坝坡表面及部分坝面淘刷，考虑在上游坝坡上部坡面采用10cm厚C20混凝土压面，上游坝坡的防护底高程为747.00m，满足上游坝坡的保护要求。

3.3.2 坝面防护

经计算，坝面的平均流速为2.52m/s～2.84m/s，流速相对较小。坝体填筑材料有垫层料、过渡料、主堆石料及次堆石料等，各种坝料粒径各不相同，既有粗颗粒也有细颗粒，是本工程的重点防护对象。为防止坝面冲刷，保证坝体稳定，在坝面采取碾压20cm厚的C20混凝土进行防冲保护，汛期上游来水经防护后的坝面过流。

3.3.3 下游坝坡防护

下游坝坡流速达7.8m/s～10.6m/s，流速较大，根据工程实际经验，格宾石笼在工程上应用的实际流速一般为8m/s～10m/s左右，可采用格宾石笼对下游坝坡进行防护，且格宾石笼之间采用钢丝连成整体，并具有一定柔性，能适应一定的变形。因此，下游坝坡防护在做好1m厚干砌块石(原坝体)的基础上，回填大于0.5m的大块石放缓大坝下游坝坡至1∶7，其1∶7坡面上再铺设1.0m厚的格宾石笼网，在下游坡脚采用深3m，宽2m的格宾石笼网压脚，防止水流淘刷。

图3 临时坝体防护设计

3.4 运用效果

临时坝体于2016年汛期安全度汛，未出现结构损伤和安全事故，实践证明曲河水库采用临时坝体过流度汛的方案是科学合理的。

4 结语

水库工程汛期度汛不仅关系到工程本身安全，更关系到水库下游沿线人民群众的生命财产安全，因此，做好水库工程汛期安全度汛工作是施工中的重中之重，需选择科学合理、技术可行、经济适用的度汛方案。通过曲河水库临时坝体过流的成功经验，对汛期流量大，枯期流量小，洪水暴涨暴落的山区性河流上修建的堆石坝，当坝体填筑强度难以在一个枯水期填筑至度汛高程时，可通过对临时坝体进行临时过流防护，达到安全度汛要求，可以取得较好的经济效益。