占大奇峰水电站导流工程设计与施工探析

张 梁

(安徽三洲水利建设有限公司，安徽 宿州 234000)

1 引言

水电站建设可以改善水资源短缺问题，改善水资源分布不均等问题，同时可提供清洁能源，促进当地经济发展[1-3]。施工质量是保证工程安全的重要因素，严格按照设计和相关规范要求进行施工是十分必要的[4-5]。施工导流工程建设，是水电站主体工程施工的重要准备条件，其设计和施工质量对工程安全和施工人员安全有重要影响[6-7]。目前，常用的施工导流工程措施为围堰和导流隧洞[8-10]。结合占大奇峰水电站工程，对水电站施工导流工程设计和施工进行分析。

2 工程概况

占大奇峰水电站是一座以发电为主的水利工程，规划装机容量为1600 kW，多年平均发电量为438.46×104kW·h。大坝高16 m，长72.8 m，总蓄水量为18.43×104m3(其中正库16.43×104m3)。引水隧洞长约3 km、压力管道550 m、厂房100 m2，输电线路8 km。工程建成以来取得了良好的经济效益。

3 导流工程设计

3.1 围堰设计

(1)围堰超高值Δh计算

Δh=h1%+hz+hc

(1)

式中：Δh表示防浪墙顶与设计(校核)洪水位高差，m；h1%表示累计频率为1%时的波浪高度，m；hz波浪中心线与设计(校核)洪水位高差，m；hc表示安全加高，按表1采用。

表1 堰顶的安全加高

占大奇峰水电站具有内陆峡谷水库特征，根据工程经验，可按照官厅水库公式计算hz。

(2)

(3)

(4)

累积频率P(%)的波高hp与平均波高的关系可按表2进行换算。

表2 累积频率P(%)的波高与平均波高关系

在设计洪水位，采用重现期为50年的最大风速，v0=21 m/s；校核洪水位时，采用多年平均风速，v0=14 m/s。

1)设计洪水位时Δh计算，计算基本参数见表3。

表3 计算Δh基本数据表

波浪三要素计算如下：

(5)

h=1.03 m

(6)

Lm=10.65 m

(7)

Δh=h1%+hz+hc

=1.28+0.31+0.4

=1.99 m

(8)

2)校核洪水位时Δh计算：

(9)

h=0.65 m

(10)

Lm=7.37 m

(11)

故h1%=1.24×h5%=1.24×0.65≈0.81 m

hc=0.3 m

Δh=h1%+hz+hc

=0.81+0.18+0.3

=1.29 m

(12)

(2)堰顶高程计算

1)设计洪水位的堰顶高程(枯水期)

Δ设=设计洪水位+Δh设

=506.41+1.99

=508.40 m

(13)

2)校核洪水位的堰顶高程(枯水期)

Δ校=校核洪水位+Δh校

=506.85+1.29

=508.14 m

(14)

为保证围堰的拦水效果和工程安全，选取计算结果中的较大值，因此设计围堰堰顶高程为508.14 m。

3.2 导流隧洞设计

占大奇峰水电站的设计建成主要目的是发电，为满足发电要求，设计流量为1.12 m3/s。由于水电站兼具灌溉作用，考虑到水量损失和灌溉用水需求，引水工程设计流量为1.24 m3/s。导流隧洞进、出口处底板高程设计为499.36 m、474.36 m，高差为25 m，导流隧洞全长为3162 m，设计隧洞坡度为0.8%。为了降低水头损失，减少工程施工难度，隧洞断面采用城门洞型，设计断面尺寸为2.0 m×2.0 m。因此，过水断面面积A=2.0×1.0+12×1.02×3.14=3.57 m2。导流隧洞内水流流速V=0.347 m/s。由于洞内水流流速较小，为避免泥沙淤积影响输水效果，在引水隧洞内设置沉石坑。根据工程设计需求，通过校核，所采用断面可满足正常工况下发电机组用水需求，同时，在洪水期也可满足过水要求，所采用的断面尺寸为满足安全的最小施工断面。

3.2.1 衬砌断面

根据工程地质勘察成果可知，隧洞所在地段地质条件较好，但是，在隧洞进、出口段需采取爆破施工，在爆破震动影响下，隧洞围岩极易松动，因此，需要采取超前支护措施。根据开挖断面进行衬砌，衬砌材料选用厚度为0.25 m的钢筋混凝土，衬砌后导流隧洞的过水断面尺寸为1.5×1.5 m，过流面积A=1.5×0.75+12×0.752×3.14=2.008 m2，正常运行流速为0.62 m/s。可满足过水需求。

3.2.2 钢管断面

钢管允许水流流速在2 m/s～5 m/s，由于工程输水管道较长，综合考虑选择下限，采用钢管管径d=4Qπv=850 mm，取d=800 mm，则钢管内水流流速v=2.47 m/s。

3.2.3 其他引水断面设计

进水口：引水隧洞进水口位于坝体内部，为了减少框架工程量，考虑采用螺杆平，闸门尺寸1000 mm×1000 mm；隧洞进水口最小淹没深度为0.3 m，采用闸孔出流公式计算：

(15)

式中：Q闸孔出流量；B闸孔宽度，B=1.0 m；e闸门开启度，取0.95；μ1闸孔流量系数。

计算得Q=1.2 m3/s>1.12 m3/s,其过水能力满足要求。

4 导流工程施工

4.1 围堰施工

根据调查，围堰建设所需的建筑材料(土料)可就近采取，围堰建筑和拆除均由人工施工。围堰施工时，应先施工上游的横向围堰，再施工纵向围堰，最后进行下游横向围堰的施工。占大奇峰水电站导流工程共分为两期：一期导流工程是先围右岸，利用左侧河道进行导流，一期围堰束窄河床的70%，上下游控制水位分别为507.40 m、501.50 m，一期导流工程修建后，右岸河槽宽为15.0 m，设计导流流量为8.5 m3/s。当右坝侧施工到508.4 m后，施工二期导流工程，围住河道左岸，利用排砂底孔过流，根据施工进度，此时为枯水季节，随着大坝建设高度的升高，水库调蓄能力不断提高，利用排砂底孔可满足过流需求。

草(麻)袋围堰的主要填料为粘性土，堰顶宽取1 m～2 m，内侧边坡坡率取1∶1.0～1∶1.5，外侧边坡取1∶1.5～1∶2.0，施工方法如下：使用草麻袋装填粘性土，装填至1/2～2/3，使用铁丝缝合，围堰施工时，将草麻袋平铺，采用上下左右互相错缝方式堆码整齐。水面以下的草麻袋可使用木杆钩送到位。在两层草(麻)袋之间可直接填充粘土心墙。当水位上涨，水流速度较大时，外围草麻袋可装填小粒径的卵石，也可采用抛片石堰外防护。

4.2 导流隧洞施工

导流隧洞施工采用如下施工工序：明挖石方→洞挖石方→浇筑进水口混凝土→制作、安装金属结构→混凝土衬砌→镇墩浇筑。

导流隧洞施工工艺及要求如下：明挖石方主要采用人工爆破开挖、风钻造孔等方法，采用自上而下的开挖顺序，使用机械装卸和清运；洞挖石方采用风钻造孔、人工光面爆破等方法，由于断面较小，采用人工装、手扶拖拉机等小型机械清运；调压井施工需采用自上而下的开挖顺序一次开挖，利用卷扬机出渣；导流隧洞混凝土使用0.4 m3拌和机搅拌，利用双胶轮车进行运输，人工平仓，浇筑时需用振捣器振捣密实，避免过振或露振。压力钢管可在工厂加工至半成品，在现场进行定位、焊接，浇筑封堵砼和镇墩砼；金属结构需委托专业厂家进行制作和安装。

5 结论

为保证占大奇峰水电站的顺利施工，采用围堰+导流隧洞相结合的导流措施，通过计算确定围堰结合和导流隧洞断面，经过验算可满足导流要求，并结合场地地质、水文条件，分析施工措施。只有严格遵照设计和规范要求进行施工，才能保证工程的安全和导流效果。