天水曲溪工程施工导流方案比选

马 龙

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

天水曲溪城乡供水工程[1]处于天水市秦州区和麦积区境内，取水口位于长江流域永宁河一级支流白家河左岸，引水线路向北穿过分水岭至麦积区甘泉镇胡家沟内，再由管线引水至调蓄水池，经水厂处理后利用管网供水系统输送至天水市秦州区和麦积区以及所辖乡镇。曲溪水库枢纽设计为碾压混凝土重力坝，设计总库容7782万m3，正常蓄水位1432 m，坝高约80 m；引水线路全长约23.8 km，其中引水隧洞长约21.6 km，年供水量4526万m3。工程等级为中型Ⅲ等工程，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

2 设计条件

2.1 地形、地质

水库区位于白家河中游河段上，河谷多呈“V”型，为一典型的峡谷型水库。两岸Ⅰ、Ⅱ级堆积阶地较发育，局部残留有Ⅲ、Ⅳ级侵蚀基座阶地。坝址区基岩为中泥盆统舒家坝组混合岩化片岩、云母角闪片岩及绿泥云母片岩，第四系堆积物岩性有冲洪积砂卵砾石、洪积碎石土及粉质粘土、坡积碎石土等。

2.2 气象、水文

白家河是永宁河的一级支流，白家河入永宁河河口以上集水面积1318 km2，河长99.6 km，平均比降5‰～9‰。工程区属温带大陆性气候和亚热带气候的过渡地带，年平均气温为11.2℃。年降水量500 mm～600 mm，雨水多集中于春秋两季。

3 导流标准及分期规划

3.1 枢纽施工期导流基础条件

大坝位于白家河“U”型河谷中，两岸山体陡峻、浑厚，坝轴线附近谷底宽120 m～150 m，其中现代河床宽40 m～45 m，砂卵砾石厚3 m～6 m；右岸发育Ⅰ、Ⅱ级阶地，阶面宽20 m～25 m、45 m～90 m，上部砂(土)层厚1.2 m～3.5 m，下部砂卵砾石厚6 m～8 m，根据坝址地形、地质条件，具备全河床拦断隧洞过流和河床内分期导流的条件。

3.2 导流方案初步分析

根据枢纽建筑物布置，枢纽自左岸至右岸依次为：左岸挡水坝段、中孔泄洪坝段、溢流坝段、右岸挡水坝段及右岸防渗墙。由于永久建筑物泄流中孔位置较高，高于河床底18 m，无法结合利用，经过前期研判分析，初步形成三种方案，具体分述如下：

3.2.1 束窄河床过流(方案1)

枢纽区位于白家河、冷水河汇合口下游弯道段，一期施工期可利用上、下游横向围堰及纵向围堰挡水完成右岸挡水坝段、溢流坝段施工，导流底孔预留在溢流坝段，二期在围堰防护下完成剩余中孔泄流坝段及挡水坝段的施工。此方案由于下游横向围堰和纵向围堰结合段位于河道弯道段，束窄河床率过大，过流面积太小，需将纵向围堰和下游围堰调整为断面尺寸较小的混凝土围堰，且导流底孔不在主河道内，进水及泄流条件较差。

3.2.2 导流明渠过流(方案2)

枢纽位置河谷较为开阔，河道右岸发育有I、II级阶地，一期施工可在此阶地上开挖导流明渠，在围堰防护下完成左岸挡水坝段，中孔泄流坝段及部分溢流坝段的施工，导流底孔可预留在靠近中孔泄流坝段的挡水坝段底部。二期利用围堰挡水完成剩余溢流坝段及挡水坝段的施工。此方案一期基坑较大，完成主体工程量较大，二期维护施工坝段较短，纵向围堰可结合已完成坝段布设，但是工期无法保证。

3.2.3 一次断流隧洞导流(方案3)

一次断流隧洞导流方式，围堰形式拟采用土石围堰。通过经济比选，确定隧洞过五年一遇最大枯水期施工洪水(Q20%=32 m3/s)时按有压隧洞进行设计。导流隧洞设于左岸，隧洞断面采用洞径为2.8 m×2.8 m的城门洞型断面，隧洞长度约510 m。围堰挡水标准为五年一遇枯水期最大施工洪水(Q20%=32 m3/s)。围堰形式为土石过水围堰，导流程序为：先行修建导流隧洞，然后进行截流；枯水期利用导流隧洞泄流，汛期利用基坑、导流底孔、导流洞进行泄流；在围堰的围护下完建泄流坝中孔以下的枢纽建筑物。一次拦断河床隧洞导流程序简单，施工干扰小，有利于快速施工，但考虑坝体填筑高程超过围堰堰顶高程后，坝体临时度汛标准为20 a一遇全年洪水，单条导流洞过流能力不足，因此需设大坝泄洪底孔泄流。

3.2.4 导流方案比较

上述三种设计均可做为曲溪工程施工导流方案，各方案的优、缺点详见导流方案比较表(表1)。

表1 导流方案比较表

通过表1对比分析可知，从导流方式、导流建筑物经济性、施工期安全性、工期等特性比选，方案3，即隧洞导流方式为最佳方案。过水围堰的缺点是汛期存在基坑被淹，不能连续施工的问题，但优点是围堰及导流洞工程量小，导流工程费用低，并且在导流底孔开始发挥作用后，施工强度高，工期可以得到保障。因此确定方案3为施工导流方案。

4 方案设计

根据现场施工条件和围岩地质情况，导流建筑物主要有导流洞和大坝施工上、下游围堰。由于土石围堰具有地基适应性强、能直接利用当地材料、施工技术成熟及技术经济指标较优等特点，故上、下游均采用土石过水围堰堰型。

4.1 围堰设计

上下游围堰按枯水期5年一遇洪水设计，考虑波浪爬高等因素，上游围堰堰顶高程为1377.34 m，最大堰高约10.03 m。围堰在施工期有交通要求，堰顶宽确定为10 m。根据稳定要求，迎水面边坡坡比为1∶2.0，背水面边坡坡比为1∶3.0，堰顶轴线长约178 m。迎水面边坡采用铅丝笼块石护坡，背水面边坡采用1 m厚的砼面板防护，边脚处采用大块石护坦，防止冲刷。堰体采用壤土心墙和高压旋喷帷幕结合防渗。堰基防渗采用高压旋喷帷幕，底部伸入基岩1.0 m，帷幕有效厚度50 cm[2]。典型围堰设计见图1。

图1 典型围堰设计图

下游围堰确定堰顶高程1367.70 m。最大堰高约0.80 m；堰顶宽为10 m。迎水面边坡坡比为1∶2.0，背水面边坡坡比为1∶3.0，堰顶轴线长约55 m。防渗结构采用壤土心墙防渗型式，并以块石和砼面板护坡，防止冲刷。堰基防渗采用高压旋喷帷幕，底部伸入基岩1.0 m，帷幕有效厚度50 cm。

因采用过水围堰，为尽量减小堰基塌滑风险，在填筑过程中需要注意加强碾压，局部夯实处理[3]。

4.2 导流隧洞

结合目前国内地下工程施工机械设备情况及施工经验，断面型式选用城门洞形。基于坝区地形、地质、施工洪水、施工道路、水工枢纽布置及工程投资等因素的考虑，结合导流程序，初选一条2.8 m×2.8 m城门洞型导流洞方案。

根据导流洞进、出口处的水位流量关系，综合考虑截流戗堤的高度等，确定导流洞进口高程1368.13 m，出口高程1364.0 m，洞长约510 m。导流洞轴线设置了1个转弯段，转弯半径为30 m，转弯角度45°。施工导流特性见表2。

表2 施工导流特性表

5 结论

在曲溪工程中实施一次断流隧洞导流设计，利用导流围堰为工程建设提供重要的技术支持，具有显著的技术经济效益。本文得到的具体结论如下：

1)导流洞的设计，为确保库区施工营地的安全提供技术借鉴。

2)以曲溪工程为依托，首次在甘肃永宁河境内应用枯水期过水围堰设计堰型，为其他流量丰枯差别大、深厚覆盖层的过水围堰提供可行的技术方案，推进该围堰的技术发展。

3)提出碾压混凝土重力坝导流底孔度汛的思路，可有效提高大坝施工进度，取得显著的技术经济效益[4]。

4)积累了宝贵的施工经验，为其他类似工程提供重要启示。