高陂水利枢纽工程施工导流方案设计

2021-05-31姚礼敏

广东水利水电 2021年5期

姚礼敏

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东广州 510635)

1 工程概况

韩江高陂水利枢纽工程位于广东省大埔县境内的韩江干流、高陂镇上游约6 km处，是以防洪、供水为主，兼顾发电、航运等综合利用的大型水利工程，工程等级为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。枢纽由右岸发电厂房、鱼道、排漂孔、河中18孔泄水闸、左岸船闸、左、右岸混凝土重力坝及变电站等组成。电站装机4台，总装机容量为100 MW，主厂房尺寸为123.0 m×27.0 m(长×宽)；船闸闸室尺寸为200 m×18 m×3.05 m (长×宽×门槛上最小水深)；泄水闸每孔净宽为14 m，泄流总净宽为252 m；鱼道紧靠厂房，净宽为2 m；排漂孔紧靠鱼道，净宽为14 m[1-2]。

本工程主体主要工程量：土石方开挖为736万m3、土石方回填为278万m3、混凝土为133万m3(其中常态混凝土为102万m3，碾压砼及变态砼为31万m3)。

坝址以上集雨面积为26 590 km2。韩江流域属亚热带季风气候，受海洋性东南亚热带风暴影响很大，洪水主要由暴雨产生，4—6月多为锋面雨，7—9月多为台风雨。

三河坝水文站位于韩江干流上游大埔县三河坝附近，距高陂坝址 28.2 km，是距高陂坝址最近的水文测站，但三河坝站在1966年以前为水文站，以后改为水位站。潮安水文站距三河坝水位站106 km，是距坝址较近的水文站。根据潮安气象站资料统计：多年平均气温为21.4℃，1月平均气温为13.2℃，最低气温为-0.5℃，7月平均气温为28.4℃，最高气温为39.6℃；多年平均风速为2.0 m/s，多年平均最大风速为15.6 m/s，最大风速为22 m/s，约9级，相应风向为西北；多年平均相对湿度为81%[3]。

坝址多年平均径流量为710.5 m3/s，不同频率不同时段的洪峰流量值见表1。

表1 韩江高陂水利枢纽施工洪水(天然河床) m3/s

坝址处河床宽约360 m，左坝头与北西走向的小条形山体相接，高程为100～110 m，小条形山往南东与雄厚山体相连。坡积土很薄(小于0.5 m)，风化土约10 m厚。右坝头与98 m高程的小山体相接，西侧与雄厚山体相连，两者之间为鞍部，高程约91 m。山坡坡角约30°，坡积土很薄，山坡被厚2～4 m的风化土覆盖。坝轴线河谷地形呈平宽的“U”字型[4]。

坝址基岩岩性为燕山三期(γ52(3))黑云中粗粒母花岗岩，两岸坡积土一般很薄，厚度为0.2～1.0 m。河床分布冲积砂层，上部为浅黄色含砾粗砂，下部为含卵石粗砂，厚度为9.0～19.0 m。冲积阶地上部分布浅灰、褐黄色粉质黏土、黏土，厚度为10～16 m，下部分布粗砂或含卵石粗砂，厚度约15 m。

韩江为内河5级航道，据调查，经过高陂河段年货运量约为196万t(不含运砂)，施工期间不允许断航。

2 施工导流

2.1 导流标准

本工程属Ⅱ等工程，主要建筑物级别为2级。根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2004)[5]的规定，本工程导流建筑物的级别为4级，相应土石导流建筑物的洪水重现期为20～10 a，混凝土导流建筑物的洪水重现期为10～5 a。选择10年一遇洪水作为本工程施工导流设计洪水标准。

2.2 导流方案

本工程施工洪水峰高量大，同时坝址两岸的山头都比较高。坝址处河床宽约360 m，左、右岸均有高程较低的一级阶地，宜采用分期导流[1]。根据本工程的枢纽布置特点及地形、地质和水文等条件及通航要求，本工程首先对先围船闸和先围电站厂房2个导流方案进行了比较，先围电站厂房方案虽然可提前发电，但由于本工程电站装机容量不大，提前发电收益不大；2期施工时航道中断，货物过坝转运也会增加费用，两者相抵后经济效益不明显，同时结合地方政府的意见，选定先围船闸的施工导流方案，然后在此基础上比较了2期2段全年围堰方案、2期4段 (1、3段全年围堰，2、4段枯水期围堰挡水、汛期围堰过水)方案及2期2段过水围堰方案。

1)方案1:两期2段全年围堰方案

① 导流程序

1期围左岸重力坝、船闸及相连的11.5孔泄水闸，2期围右岸重力坝、厂房、排漂孔及剩余的7.5孔泄水闸，施工总工期为66个月。

1期导流(第2年3月—第3年8月，共18个月)：在第1年12月底完成右岸河床的扩挖及防护，具备导流条件，第2年1月底前在小围堰的保护下建好1期混凝土纵向围堰，第2年1月初开始修筑1期横向围堰，2月底形成1期基坑，由扩挖后的右岸河床泄流(扩挖后河床复合断面的底宽为170 m)；第3年8月底完成船闸、11.5孔泄水闸所有混凝土浇筑并完成闸门安装，浇筑、闸门安装并完成2期导流用的混凝土纵向围堰；第3年9月初开始拆除1期围堰。

1期导流期间，利用扩挖后的右岸河床通航，第3年11月底船闸开始通航。

2期导流(第4年3月—第5年6月，共16个月)：第3年10月初开始修建2期上、下游横向围堰(2期纵向混凝土围堰在1期围堰拆除前建好)，第4年2月底形成一期基坑，围护右岸厂房、排漂孔、鱼道及剩余的7.5孔泄水闸基坑施工，由已建的左侧10孔泄水闸泄流；第5年6月底前完成厂房混凝土浇筑并完成进水口、尾水出口闸门安装，第5年6底前完成泄水闸所有混凝土浇筑及闸门安装。第5年7月初开始拆除2期围堰，厂房在进、出水闸门的保护下进行机组安装，第6年1月初第1台机组发电。

2期导流期间，利用1期已建成的船闸通航。

② 导流时段及导流流量

导流标准采用10年一遇全年洪水，流量为11 130 m3/s。2期2段全年挡水围堰方案施工导流特性见表2。

表2 施工导流特性

2)方案2：2期4段方案(1、3段全年围堰，2、4段枯水期围堰挡水、汛期围堰过水)

① 导流程序

2期4段导流为1期1段围左岸重力坝+船闸+相邻的3.5孔泄水闸，1期2段围左岸重力坝+船闸+相邻的10.5孔泄水闸；2期1段围右岸重力坝+厂房，2期2段围右岸重力坝+厂房+鱼道+排漂孔+剩余的7.5孔泄水闸。施工总工期为66个月。

1期1段导流(第2年1—9月，共9个月)：在第1年5月底完成右岸河床的扩挖，具备导流条件，第1年9月中开始修筑1期全年围堰，第2年1月形成1期基坑并完成1期2段围堰基础防渗墙施工，由扩挖后的右岸河床泄流(扩挖后河床断面的底宽约240 m)；第2年1月进行泄水闸土石方开挖，第2年3月开始泄水闸混凝土浇筑，第2年2月开始船闸混凝土浇筑，第2年9月中旬开始拆除1期纵向围堰。

1期1段导流期间，利用扩挖后宽约207～240 m的右岸河床通航。

1期2段导流(第2年11月—第3年9月，共11个月)：在第2年10月1期2段纵向围堰合龙闭气(过水围堰)，形成2期基坑，由束窄的右侧河床泄流(束窄后河床断面的底宽约150 m)；继续1期基坑后续施工及新增7孔泄水闸施工，第3年3月底前完成船闸闸门安装；第3年8月底前完成基坑内所有混凝土浇筑及金属结构和部分启闭设备安装；建成4段导流用的混凝土纵向围堰，该围堰利用1期1段纵向围堰砼防渗墙防渗；第3年10月初开始拆除1期2段围堰。

1期2段导流期间，利用束窄后宽约140 m的右岸河床通航，第3年11月中旬船闸具备通航条件。

2期1段导流(第4年2—9月，共8个月)：第3年11月初开始修建2期1段全年上、下游横向围堰，纵向土石围堰在1期2段纵向土石围堰的基础上加高培厚，围护厂房及右岸重力坝，由已建的左侧10孔泄水闸及宽约42 m的河床泄流。第4年5月中开始厂房基础混凝土浇筑，第4年9月初开始拆除2期1段纵向围堰，厂房在2期2段围堰保护下继续施工。此期间利用1期已建成的船闸通航。

2期2段导流(第4年11月—第5年11月，共13个月)：第4年9月中旬开始修建2期2段上、下游横向围堰(2期2段纵向混凝土围堰在1期2段围堰拆除前建好)，围护2期1段基坑剩余工程、排漂孔、鱼道及剩余的7.5孔泄水闸基坑施工，由已建的左侧9孔泄水闸泄流；第5年4月底前完成厂房混凝土浇筑并完成进水口、尾水出口闸门安装，第5年11月中旬完成基坑内泄水闸所有混凝土浇筑及金属结构安装，第5年1月初开始电站机组安装。第5年12月初开始拆除2期2段围堰，厂房在进、出水闸门的保护下继续进行机组安装，第6年2月初第1台机组发电。

2期2段导流期间，利用1期已建成的船闸通航。

② 导流时段及导流流量

1期1段及2期1段导流标准采用10年一遇全年洪水，流量为11 130 m3/s；由于1期2段及2期2段基坑范围内新建项目工程量相对较小，枯水期可施工至河床面高程以上，过水对基坑工程影响小，且均只经历1个汛期，过水机率较小，因此，围堰挡水标准采用10年一遇10—4月洪水，流量为6 560 m3/s，过水时的设计洪水标准采用10年一遇洪水，相应流量为11 130 m3/s。

传统授课模式下，理论知识和实践操作的讲授形成了两个各自独立的部分，主要表现为：一是理论知识和实践操作分开讲授，通常是先讲理论性内容，然后再安排相关的实践性内容；二是授课教师各自为政，理论性内容和实践性内容分别由不同教师担任授课任务；三是授课地点不同，通常理论性内容在教室完成，实践操作内容在实训室或企业完成。

③ 汛期工期分析

由于1期2段和2期2段采用过水围堰且汛期考虑施工，因此，对汛期工期计算的合理性及工期的保证性进一步分析。1954—2010年历史上发生大于(包含)10年一遇洪水年份洪峰流量大于挡水流量(10年一遇10—4月洪水，Q=6 560 m3/s)的次数为4次，年平均过水次数为0.68次。典型年洪水历时4 d，考虑洪水发生前人员、设备撤场及洪水过后恢复生产的时间，对工程施工影响约30 d。

2期4段全年挡水围堰方案施工导流特性见表3。

3)方案3：两期2段过水围堰方案

① 导流程序

1期围左岸重力坝、船闸及相连的11.5孔泄水闸，2期围右岸重力坝、厂房、排漂孔及余下的7.5孔泄水闸，施工总工期为66个月。其程序为：

1期导流(第2年1月—第3年5月，共17个月)：在第1年10月中完成右岸河床的扩挖及防护，具备导流条件，第1年10月中开始修筑1期横向围堰，12月底形成1期基坑，由扩挖后的右岸河床泄流(扩挖后河床复合断面的底宽为140 m)；第3年5月底完成船闸所有混凝土浇筑并完成闸门安装，第3年3月底前完成泄水闸所有混凝土浇筑、闸门安装及建成2期导流用的混凝土纵向围堰；第3年6月初开始拆除1期围堰。

表3 施工导流特性

1期导流期间，利用扩挖后的右岸河床通航，第3年8月底船闸具备通航条件。

2期导流(第3年12月中—第5年6月，共18.5个月)：第3年9月中旬开始修建2期上、下游横向围堰(2期纵向混凝土围堰在1期围堰拆除前建好)，第3年12月中形成1期基坑，围护右岸厂房、排漂孔、鱼道及剩余的7.5孔泄水闸基坑施工，由已建的左侧10孔泄水闸泄流；第5年2月初开始机组安装，第5年6月底前完成厂房混凝土浇筑并完成进水口、尾水出口闸门安装，第5年4月底前完成泄水闸所有混凝土浇筑及闸门安装。第5年7月初开始拆除2期围堰，厂房在进、出水闸门的保护下继续进行机组安装，第6年1月初第1台机组发电。

②导流时段及导流流量

1、2期围堰挡水标准采用10年一遇10—4月洪水，流量Q=6 560 m3/s，过水时的设计洪水标准采用10年一遇洪水，相应流量Q=11 130 m3/s。

2.3 导流方案选择

1)本工程坝址处河床砂砾石覆盖层厚近20 m，为深厚易冲河床，全年10年、20年一遇洪水流量分别为11 130 m3/s、12 930 m3/s，流量较大；坝址处河床偏窄，宽约360 m。流量大、河道窄、易冲河床是本工程施工导流的特点。方案1即两期2段全年围堰导流方案虽然导流程序较简单，但纵向围堰上游转角处流速达8.25 m/s，远超国内其它工程[7]，堰脚防护难度极大，存在较大的安全隐患。

方案1:1期混凝土纵向围堰位于砂砾石基础上，临近深约20 m的砂砾石开挖边坡坡顶，虽然采用了CFG桩进行地基处理，在边坡雨水冲刷，防渗墙渗漏水流等的淘刷下仍存在倾覆的可能，存在较大的安全隐患。

2)本工程正常蓄水位为38.0 m，永久拆迁线为39.0 m，方案1导流期间最高水位为40.7 m，方案2导流期间最高水位为39.5 m，与方案1相比方案2临时淹没人口少约800多人[8]，因此，在施工期间方案2对坝址上游两岸村民影响较小，降低了社会稳定风险。

水利工程实施阶段常受移民征地进度滞后影响而拖延工期，由于水利工程施工季节性强，与方案1相比，两期4段方案每段工程量相对较小，汛前完成围堰施工的保证率更高，因而方案2能更好地适应外部条件变化。而方案1中1期1段围堰工程量更大，过流断面更小，在汛期来临前完成围堰施工的难度极大，如围堰未施工完成又遭遇汛期洪水，围堰存在被冲毁的可能，不但工程将遭受重大损失，工期也可能将延长1 a。

3)方案3即两期2段过水围堰方案，由于基坑工程量较大，两期基坑均要经历两个汛期，过水的机率比方案2增加1倍，可能对施工总工期有较大的影响。并且当截流时间延后的情况下，可能基坑刚挖出来即面临过水的风险，造成边坡垮塌，甚至基坑被过水后泥沙填满，给工程造成较大损失。

根据以上分析，方案2即两期4段导流方案具有导流流速较小，导流工程风险较小，临时淹没较少，每段围堰工程量较小，汛前完成围堰施工的保证率更高、施工总工期有保证等优点，因此，推荐方案2为本工程施工导流方案。

方案2导流平面布置见图1～2。

图1 1期1段、2段施工导流布置示意

注：1.在1期2段纵向围堰基础上加高培厚形成2期1段纵向围堰 2.2期2段砼纵向围堰利用1期1段纵向围堰砼防渗墙防渗

2.4 导流建筑物布置及形式

根据主体建筑物的布置特点及地形、地质条件、束窄河床后的导流条件等进行导流建筑物布置。

1)1期右岸扩挖及河床防护措施

为满足1期导流过水断面的需要，需对右岸进行扩挖，1期1段导流流量为11 130 m3/s时，右岸河床的平均流速为3.5 m/s，纵向围堰上游转角处最大流速为4.9 m/s，1期2段导流流量为6 560 m3/s时，右岸河床的平均流速为3.7 m/s，纵向围堰上游转角处最大流速为5.5 m/s。为满足纵向围堰和河床抗冲的要求，采用混凝土柔性排(4 m×4 m，厚1.2 m)和厚0.7 m扩张金属网箱及钢筋笼对纵向围堰堰脚外侧30 m范围进行防护，下设石渣垫层和土工布反滤。

2)围堰形式

根据主体建筑物的布置特点及地形、地质条件，为充分利用当地材料和开挖弃渣，降低导流费用，除2期2段纵向围堰外，其他1、2期围堰均采用土石围堰，堰体部分采用粘土心墙防渗[9]。1期1段、2期1段为全年挡水围堰，土石围堰顶宽均为6 m，上、下游围堰30 m高程以上迎水坡为1:2.5、背水坡为1:2.0，30 m高程以下上、下游两侧为戗堤及堆石棱体，迎水坡为1:1.5、背水坡为 1:1.5。

1期2段及2期2段为过水围堰，上游围堰溢流堰顶高程为35.0 m，上设高分别为2.85 m和2.3 m自溃式子堰，子堰顶宽为6.0 m。围堰30 m高程以上迎水坡为1:2.5、背水坡为1:2.0，30 m高程以下上、下游两侧为戗堤及堆石棱体，迎水坡为1:1.5、背水坡为1:1.5。上游围堰上游侧34.0 m高程以上坡面、堰顶及下游侧坡面采用厚600 mm混凝土护坡，上游围堰上游侧34.0 m高程以下坡面采用厚600 mm抛石护坡；下游围堰背水侧33.0 m高程以上坡面、迎水侧及堰顶采用厚600 mm混凝土护坡，下游围堰背水侧33.0 m高程以下坡面采用厚600 mm抛石护坡；纵向围堰两侧边坡采用厚600 mm钢筋笼或块石外覆钢筋网护坡。

由于坝址处的河床较窄，并根据水工建筑物布置特点，2期2段纵向围堰可以在干地上施工，为最大限度增加导流过水断面，同时避免围堰对已建水工建筑物造成不均匀沉降变形，2期2段纵向围堰采用悬臂式混凝土围堰，围堰最大高度约20 m，底板与永久结构相结合。这种围堰结构形式笔者曾在潮州供水枢纽工程采用，效果良好[10]。

3)围堰基础防渗措施

除2期2段纵向围堰外，1、2期其他围堰均在水中抛投修建，且河床砂卵砾石覆盖层厚(10～20 m)，故采用混凝土防渗墙(厚为600 mm)作为土石围堰水中抛填堰体部分及堰基基础的防渗结构；2期2段纵向围堰基础防渗在1期基坑内完成，亦采用混凝土防渗墙(厚为600 mm)。

4)纵向围堰基础处理

由于河床砂卵砾石覆盖层厚(10～20 m)且上层松散，2期2段砼纵向围堰基础最大应力较大，采用CFG桩[11]对2期2段纵向混凝土围堰基础8～10 m深度范围进行加固处理，桩间排距为2.5 m×2.8 m，梅花形布置。

5)围堰的防冲刷措施

1、2期横向土石围堰迎水面采用抛石护坡[12](厚为0.6 m)，坡脚则采用抛块石防护(厚为1.0 m)，1、2期纵向土石围堰迎水面采用钢筋笼护坡(厚为0.6 m)。