老鹰岩二级水电站施工导流方案设计概述

彭峥 程保根 李鹏 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司

图1 电站枢纽布置及周边环境平面图

1.工程概况

老鹰岩二级水电站位于四川省石棉县境内，是大渡河干流28级开发的第18级，其上游与老鹰岩一级衔接，下游为瀑布沟水电站。电站采用闸坝、河床式厂房联合挡水的开发方式，电站总装机容量420MW，联合运行多年平均年发电量18.71亿kW•h。工程为二等大（2）型工程，永久性主要建筑物为2级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物。

2.导流方式

本工程大坝基坑深度约80m，基坑开挖回填工程量巨大，坝体不可能在一个枯水期修筑至度汛洪水位以上，若汛期基坑过水，则会严重影响发电工期和总工期，且基坑翻水对下游石棉县城安全威胁极大，因此应采用全年围堰、厂房基坑全年施工的导流方式。若采用隧洞导流，则需在河道左岸布置两条15m×18m城门洞型隧洞，隧洞工程量大，工程投资高，隧洞施工工期较长且隧洞出口直接对冲石棉县城堤防，故不宜采用隧洞导流方式。若采用束窄河床过流分期导流，由于受河道宽度限制且河床覆盖层深厚，纵向导墙和纵向全年围堰均布置于主河道中央，需对右岸边坡进行大规模扩挖，导流建筑物基础处理和防渗工程难度大、投资高、导流风险大，且施工工期明显延长，故不适宜采用束窄河床分期导流。在综合考虑地形地质条件、河流水文条件、枢纽建筑物布置特点、主体工程施工等因素后，考虑到本工程左岸为凸岸，具备布置导流明渠的条件，且能与水工永久泄洪闸结合以节约部分工程量，拟定本工程采用围堰一次拦断河床、基坑全年施工、明渠泄流分期导流的方式。

3.导流标准

一期导流主要保护左岸导流明渠全年施工，根据规范导流建筑物级别为5级，导流设计标准采用全年10年一遇洪水重现期，相应流量为5760m3/s。

二期导流主要围护主基坑电站厂房和泄洪闸坝段全年施工。根据规范规定，导流建筑物级别为4级，相应土石类导流建筑物设计洪水重现期为10～20年。采用规范上、下限标准下，导流设计流量相差约9.4%，二期围堰和导流明渠边墙顶高程最大高度仅相差1m，且根据工期分析，两标准下的上游围堰都能在一个枯水期完建，故导流标准的不同，并不会对临建工程投资有较大影响[1]。同时考虑到：二期主基坑工程量大，施工难度高，大坝工程为关键项目，基坑下游紧邻石棉县城，二期基坑失事将严重影响发电工期、经济损失巨大、社会影响恶劣，故本工程二期导流标准选择规范规定上限值即全年20年一遇洪水重现期，相应导流设计流量为6300m3/s。

表1 不同底宽导流明渠方案水力学指标及工程投资估算比较表

三期导流主要围护进行明渠改建封堵、厂房剩余混凝土浇筑及机组安装等。根据规范导流建筑物级别为4级。三期上、下游围堰设计挡水标准选用枯期20年一遇，相应设计流量为1878m³/s。水道系统与厂房贯通后，厂房坝段需在厂房进口闸门和尾水闸门保护下进行厂房剩余混凝土浇筑及机组安装施工，期间厂房进口和尾水闸门设计挡水标准选用30年一遇，相应设计流量为1878m³/s。

4.导流方案

4.1 导流方案比选

根据水工枢纽布置特点，在已选定导流方式基础上，对可行的导流方案进行拟定比选。

枯期明渠方案：明渠按照泄放枯期洪水设计，一期在纵向围堰围护下施工完成左岸枯期明渠和两孔泄洪闸底板及边墩，期间原河床过流；二期在上下游围堰围护下，分三个枯期施工完成剩余三孔泄洪闸坝段以及厂房基坑上下游导墙，期间枯期明渠泄流，汛期基坑过水；三期在上下游全年土石围堰围护下，施工完成厂房坝段，期间已完建五孔泄洪闸泄流，枯期择机封堵改建明渠。本方案能够降低明渠和围堰规模，减小明渠出口单宽流量，降低下游县城防冲压力，降低导流风险，但是泄洪闸坝段汛期无法施工，总工期较推荐方案需延长17个月，且厂房小基坑纵向导墙地基处理难度高、投资大，泄洪闸上下游围堰需多次恢复，综合导流工程投资亦偏大。综上，枯期明渠方案不适宜[2]。

全年明渠、主体工程分两期施工方案；一期在纵向围堰围护下，施工完成左岸全年明渠和完建左岸两孔泄洪闸；二期在上下游全年土石围堰围护下，施工完成厂房坝段、剩余三孔泄洪闸坝段和其它枢纽建筑物。本方案导流程序简明，不需要进行三期明渠改建施工，但是由于主体工程工期由厂房坝段控制，本方案与推荐方案施工工期相同，而明渠过流控制断面束窄，引起导流工程和围堰上游施工场地垫高防护工程量较大，工程投资较大。综上，不推荐本方案。

推荐方案：一期在纵向围堰围护下，施工完成左岸全年明渠和两孔泄洪闸边墩及底板；二期在上下游全年围堰围护下，施工完成厂房坝段、剩余三孔泄洪闸坝段和其它枢纽建筑物；三期在上下游枯期土石围堰围护下，进行左岸两孔泄洪闸改建施工，完成明渠封堵。

4.2 明渠规模拟定

本工程明渠导流流量大、河道较窄、基坑布置条件逼仄，明渠导墙布置受地形地质条件限制，为保证基坑边坡开挖安全和下基坑道路设计坡度，上游围堰高度受限，估算明渠过流底宽不应小于30m。结合水工泄洪闸闸孔尺寸，对明渠宽度进行多方案综合比选：明渠结合两孔闸（2×13m），过流底宽31m；明渠结合两孔闸（2×15 m），过流底宽35m；明渠结合三孔泄洪闸（3×13m），过流底宽52m。不同宽度条件下相关水力学指标及投资估算情况见表1。

经综合技术经济比较：31m宽明渠方案左岸边坡开挖规模最小，但是导墙和围堰规模最大，明渠出口单宽流量最大，且对下游石棉县城冲刷影响严重，上游施工场地垫高防护工程量大，整体工程投资较推荐方案略高；52m宽明渠方案导墙和围堰规模均较小，明渠出口下游防冲压力最小，但是左岸明渠边坡规模过大，边坡处理难度大投资高，安全风险突出，且工程投资最高；35m宽明渠方案工程投资最低，明渠边坡、导墙和围堰规模适中，经模型试验和稳定计算验证，边坡稳定风险和下游消能防冲均可采用工程措施有效解决。综上，推荐导流明渠结合两孔泄洪闸（2×15m），过流底宽35m。

5.导流建筑物设计

（1）一期围堰。一期纵向全年围堰顺河流向布置在河道左岸明渠导墙外侧，全长719.579m。上游段围堰顶高程866.00m，下游段围堰顶高程865.00m，中间设渐变段。围堰采用土石填筑，堰体最大高度约15m，堰顶宽度8m，迎水面、背水面坡比1：1.5。堰体采用土工膜心墙防渗，最大防渗高度5m。围堰基础覆盖层孤石较多，颗粒级配不好，透水性较强，采用封闭式混凝土防渗墙防渗，最大墙高约69.06m。堰体防渗采用复合土工膜心墙。

受河道地形影响，纵向围堰形成后，在上游端对河道束窄较为严重，故对明渠进口上游端右岸河道进行扩挖处理。

（2）导流明渠。根据河谷地形地质条件，明渠导墙呈“S形”，沿河道左岸基岩边缘极限位置布置，确保导墙坐落于岩石基础上，降低左岸边坡开挖规模。导墙中间段垂直于坝轴线，且过闸段与水工泄洪闸边墩边墙全结合；为适应基岩地层走向，明渠导墙上游端向左岸山体侧偏转11°，偏转段与导墙主体段圆弧形渐变过渡；明渠出口段导墙向河床方向偏转12°，形成喇叭形明渠出口，以降低明渠出口出流单宽流量，减小出口水流冲刷。导墙采用“L”型混凝土重力式结构，顶宽4.00m，底宽6.00m，最大墙高30m,设置厚4m悬臂式底板，底板宽度10～15m。根据水力学计算及模型试验成果，明渠上游段墙顶高程876.00～875.00m，过闸段与泄洪闸边墙全结合，墙顶高程868.00～882.00m；下游段墙顶高程868.00m～865.00m。

（3）石棉县城防冲保护。施工期明渠泄放20年一遇洪水时为下游县城堤防防护的控制工况。根据水力模型试验成果，在现有堤防结构基础上，对坝轴线下游400～880m范围内县城堤防进行加固。结合原有防冲混凝土护底，下游右岸防洪堤从防洪堤到河床依次新增防冲墙、钢筋铅丝石笼、块石串等措施进行加固。混凝土防冲墙超过试验冲刷深度2m，深度约为6m～15m，厚度1.2m，防冲墙顶部与县城原防洪堤C15混凝土护底连接，防冲墙外侧采用钢筋石笼（石笼内石块用铅丝捆绑）加固防冲，钢筋石笼外侧采用更加柔性的块石串加固。

（4）二期围堰。二期上、下游围堰均采用碾压式心墙堆石坝。

上游围堰顶高程876.00 m，最大堰高41m，堰顶宽10.00 m，截流戗堤布置在堰体下游，戗堤顶高程858.50m，防渗墙施工平台顶高程862.00m。迎水面坡比为1：2.0，采用块石护坡、大块石护脚。背水面坡比为1：1.8。堰体采用350g/0.8mmHDPE/350g的复合土工膜心墙防渗，最大防渗高度13m，土工膜两侧采用过渡层进行保护。堰基防渗采用厚1.0m封闭式混凝土防渗墙，防渗墙嵌入基岩1m，最大深度75.4m。

下游围堰顶高程865.00m，最大堰高15m，堰顶宽10.00 m。迎水面坡度为1：1.8，迎水面采用块石护坡、大块石和钢筋石笼护脚，背水面坡度为1：1.8。堰体采用350g/0.8mmHDPE/350g的复合土工膜心墙防渗，最大防渗高度8m，土工膜两侧采用过渡层进行保护。基础防渗采用厚1.0 m 封闭式混凝土防渗墙，墙顶高程为858.00m，防渗墙嵌入基岩1 m，最大深度约61.4m。

（5）三期围堰。三期上、下游围堰在布置于导流明渠内，均采用土石围堰。

上游围堰顶高程867.00m，顶宽8.0m，堰高17m，迎水面边坡坡度为1：1.8，坡面采用块石护坡；背水面边坡坡度为1：1.8。堰体防渗采用闭气碎石土料斜墙防渗，防渗高度为16m。

下游围堰顶高程860.00m，顶宽8.0m，堰高11m，迎水面边坡坡度为1：1.8，坡面采用块石护坡；背水面边坡坡度为1：1.8。堰体防渗采用闭气碎石土料斜墙防渗，防渗高度为10m[3]。

6.结语

老鹰岩二级水电站工程基坑规模大，地形地质条件复杂，且紧邻石棉县城，导流建筑物布置受到诸多不利因素的制约。经过对导流方案的深入研究，将临时明渠与永久泄洪闸结合布置，科学选定导流建筑物规模，拟定合适的导流程序，节约了工程投资，缩短了工期，并对施工期间明渠高边坡、下游县城堤防防冲保护等问题采取了合理工程措施，为工程建设快速顺利推进创造了条件。