大藤峡水利枢纽工程二期围堰拆除设计优化研究

陈规划,李广一,苏文亮

(1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司,广西 桂平 537200;2.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130000)

围堰是保障主体工程安全施工的关键性项目,是确保整个工程按期完工的重要建筑物。重大水利工程因河床地形地质条件复杂、水工枢纽整体布置紧凑、施工导截流难度大等特点,其围堰工程建设周期长、拆除工程量大、围堰工程投资占比较大等特点[1]。因此,围堰在设计阶段均会考虑上述因素,进行综合设计,甚至围堰永临结合,以保证施工期基坑安全、度汛安全及降低后期围堰拆除难度。后期在围堰拆除中,因工程运用水位、拆除工期、难度等边界条件发生较大变化,为此,很多重大工程均对围堰拆除方案进行了优化研究[2-3]。

大藤峡水利枢纽工程二期围堰(图1)兼顾右岸基坑建筑物施工及左岸工程运行,原设计拆除总方量高达209万m3,拆除工期紧,单日拆除量大;上游横向围堰拆除时最大水深为30 m,且涉及水下爆破,施工难度极大;上游纵向围堰混凝土爆破拆除渣料需防止进入左右侧泄水闸,爆破及清渣难度大;围堰拆除不能影响左岸工程正常运行,不得影响已建临近工程和边坡安全。综上,二期围堰拆除面临难题较多,施工难度较大。在满足左岸工程正常运行、后期泄洪安全及对工程发电影响程度等较小的前提下,优化研究二期围堰拆除范围和高程,减少拆除工程量,降低拆除难度进而缩短拆除工期,减少投资,并能尽早发挥右岸效益。因此,围堰拆除优化研究意义重大[4-5]。

图1 大藤峡二期围堰

1 工程概况

大藤峡水利枢纽工程位于珠江水系黔江干流大藤峡出口处弩滩上,下游桂平市约6.6 km。大藤峡水利枢纽是以防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用的大(1)型水利枢纽工程。枢纽建筑物主要包括泄水、通航、发电、挡水、灌溉取水口、过鱼等建筑物。水库总库容34.79亿m3,电站总装机容量1 600 MW。工程采用两期导流,一期导流先围左岸,江水由束窄后的右岸河床过流,在一期围堰的保护下,施工河床左岸21孔泄水闸、左岸厂房、船闸等一期工程建筑物;二期导流围右岸,利用左岸已施工完成泄水闸泄流,施工右岸5孔泄水闸、右岸厂房、右岸挡水坝、鱼道等建筑物。混凝土纵向围堰为一、二期工程共用。二期围堰设计洪水标准为大汛50年一遇,下泄流量为44 900 m3/s,使用年限为4年,2019年10月右岸截流成功;2020年9月,利用二期围堰挡水,水库蓄水至施工期最高运行水位52 m,左岸工程全面发挥综合效益[6-9]。根据施工组织设计,二期围堰计划2022年5月开始拆除。

二期围堰由上、下游混凝土纵向围堰和上、下游土石围堰组成。其中上游段纵向混凝土围堰长325 m,顶高程54.3 m,下游段纵向混凝土围堰长202 m,顶高程43.68 m,均为碾压混凝土结构。上、下游段纵向混凝土围堰分别与纵向混凝土围堰坝段及消力池隔墙相接,纵向混凝土围堰坝段长67 m,消力池隔墙长195 m。上游横向围堰布置在坝轴线上游约270 m处,采用土工膜心墙土石围堰,轴线呈直线布置,左侧与纵向围堰上游段相连接,右侧与右岸开挖边坡相连接,围堰总长349.6 m,顶高程54.3 m,最大堰高52.3 m。下游横向围堰布置在坝轴线下游约400 m处,轴线呈直线布置,左侧与纵向混凝土围堰相连接,右侧与右岸岸坡相连接,围堰总长404.8 m,顶高程43.68 m,其布置见图2。

图2 二期围堰布置(m)

2 试验方案

根据研究内容、河道特征、河床形态、地形特点和模型场地情况,模型确定为正态模型,比尺为1∶80,模型按重力相似准则设计,模拟坝轴线上、下游分别3.0、2.8 km,共5.8 km范围。为了观测研究上游横向围堰和纵向混凝土围堰附近的冲刷情况,以及泄水闸消力池下游的冲刷,试验对相应位置的基岩依据岩石的抗冲流速进行了模拟。上游纵向混凝土围堰附近基础基岩抗冲流速为4.5～5.5 m/s,通过伊兹巴什公式v=(5～7)d0.5算得模拟冲料的粒径为6.4～9.6 mm,试验选取中值粒径为8.0 mm的石子模拟;消力池下游基岩抗冲流速为4.5 m/s,算得冲料的粒径为6.4 mm,选取中值粒径为6.4 mm的石子模拟[10],模型整体布置情况见图3。

图3 枢纽整体模型情况

大藤峡水利枢纽工程调度分为洪水调度、航运调度、发电调度、水资源配置调度和灌溉调度,二期围堰优化主要由大藤峡工程洪水及发电调度工况控制。汛期6—8月维持库水位在汛限水位47.6 m运行,当入库流量大于20 000 m3/s时,水位可降至防洪运用最低水位44 m;5月份按流量分级控制坝前水位运行,允许最高水位为59.6 m;10月至次年3月亦按流量分级控制坝前水位方式运行,允许最高水位达到正常蓄水位61 m,4月份允许最高水位为59.6 m。

3 围堰拆除优化研究

原设计二期上游横向土石围堰拆除至22 m高程;下游横向土石围堰全部拆除;上游段纵向混凝土围堰拆除长度275 m,剩余50 m不拆,拆除高程至36 m;下游段纵向混凝土围堰全部拆除至22 m,拆除长度202 m。受左岸通航和机组发电限制,二期上游围堰拆除期间上游库水位只能降低到47.6 m,上游围堰顶高程为54.3 m,水上拆除量较小,大部分为水下拆除,拆除工程量大,施工难度高、工期长。右岸第一台机组发电时间计划提前,要求上下游围堰的拆除完成时间也要适当提前。为此,开展优化二期围堰拆除范围和高程研究,以减少拆除工程量,降低拆除难度进而缩短工期,尽早发挥右岸效益。

3.1 上游横向围堰

上游横向围堰基础采用塑性混凝土防渗心墙防渗,心墙顶高程为31.17 m,拆除其高程以下需水下爆破,固对横向围堰拆除至高程31.17、28.00、26.00、22.00 m进行对比研究。前期模型试验研究表明上游围堰拆除至36 m以下时,26孔泄水闸泄量能力均能满足设计要求,因此主要研究不同拆除高程对发电水头的影响[11]。研究表明低水位发电工况围堰上下游水位差受拆除高程影响较大,库水位越低、横向围堰断面过流面积越小,围堰断面平均流速越大,引起围堰上下游水位差越大,围堰拆除不同高程与围堰上下游水位差关系见图4。在流量14 000 m3/s、库水位47.6 m、横向围堰高程31.17 m时测得围堰上下游水位差为0.13 m,拆除至28.00 m时测得围堰上下游水位差为0.08 m,而横向围堰高程26 m时水位差减小为0.07 m。

图4 上游横向围堰拆除不同高程与围堰上下游水位差关系

试验对上游横向围堰堰顶流速进行观测,下泄20年一遇洪水时,泄水闸全部敞泄,流量39 000 m3/s,横向围堰拆除至22.00、25.00、28.00、31.17 m时,围堰顶面最大流速分别3.61、3.77、4.17、4.49 m/s,最大流速均位于横向围堰顶面最上游端,不同拆除高程堰顶最大流速见表1。堰体填筑砂砾石抗冲流速为2.91 m/s,堰顶流速均大于抗冲流速,剩余堰体存在冲至下游泄水闸消力池风险,研究在横向围堰后(泄水闸进口前)设置拦渣坎。

表1 不同拆除高程堰顶最大流速(P=5%,39 000 m3/s)

上游横向围堰拆除不同高程对电厂拦污栅影响方面,拆除高程28、26 m时,拦污栅处最大流速分别为1.33、1.35 m/s,拆除不同高程各机组拦污栅处流速变化不明显,由于厂房前拦沙坎高程为28 m,围堰拆除至28 m高程及以下时,对拦污栅处流速没有显著影响,拆除至31.17 m时最大流速为1.48 m/s,流速稍大。大藤峡右岸为原河床主流,且后期运用右区5孔泄水闸几率最大,围堰拆除至22 m高程,最大围堰拆除深度达39 m,水下拆除难度极大。考虑右岸电站进口设置有顶高程为28 m拦沙坎,最后选定上游横向围堰右岸侧拆除至31.17 m高程,5孔泄水闸段前围堰拆除至25 m高程,为防止围堰顶流速偏大引起冲刷碎石至消力池破坏流道,围堰后增设一道拦渣坎,顶高程为26 m。

3.2 上游纵向围堰

纵向围堰拆除主要研究剩余不同长度对泄流能力、流态及冲刷等影响,拟定拆除剩余长度分别为50、157、320 m(全面保留)等3个方案,考虑拆除部分可拦截横向围堰碎石冲至左岸泄洪闸,拆除部分高程至36 m。泄流能力控制工况为20年一遇洪水,流量为39 000 m3/s,试验采用此工况进行动床研究对比。

下泄20年一遇洪水,在横向围堰拆除至28.00 m高程时,纵向围堰拆除剩余50、157 m库水位分别为45.83、45.94 m,相比设计水位46.15 m低0.32、0.21 m;在横向围堰拆除台阶型式时,纵向围堰拆除剩余50、157 m,全部保留3种布置,库水位分别为45.91、45.99、46.08 m,相比设计水位低0.24、0.16、0.07 m;在横向围堰拆除至31.17 m高程时,纵向围堰全部保留的库水位为46.11 m,相比设计水位低0.04 m,试验测得数据见表2。下泄1 000年一遇洪水,在横向围堰拆除台阶型式时,纵向围堰拆除剩余50、157 m,全部保留3种布置,库水位分别为51.50、51.54、51.63 m。表明不同剩余长度下泄流能力均满足设计要求,剩余长度越大,影响越大,发生20年一遇洪水时安全余度很小。

表2 围堰拆除不同方案泄流能力(P=5%) 单位:m

宣泄20年一遇洪水时,上游纵向围堰拆除剩余部分左侧和泄水闸上游区域均有绕流。拆除剩余50 m时,围堰左侧相邻2～3个闸孔受绕流影响;拆除剩余157 m时,左侧相邻4～5个闸孔受回流影响,水面横向比降明显,流态情况见图5;围堰全部保留时,左侧相邻6～7个闸孔受回流影响,围堰左侧圆头处冲刷最深点高程17 m,冲深5.0 m。宣泄1 000年一遇洪水,控泄库水位61 m,围堰全部保留时,左侧圆头处冲刷最深点高程20.1 m,冲深1.9 m。

图5 围堰拆除剩余157 m上游纵向围堰流态

3.3 下游横向围堰

二期下游横向土石围堰位于右岸电厂尾水渠下游,围堰拆除难度不大,拆除高程主要考虑对电厂尾水的影响。结合围堰前后枢纽布置和地形高程情况,试验对围堰拆除至15 m和10 m高程(全部拆除)进行对比研究,观测分析围堰上下游水位差判别其对电厂尾水的影响。不同发电流量条件下,不同拆除高程上下游水位成果见表3。

表3 各工况二期下游横向土石围堰上下游水位成果

围堰拆除至15 m高程时,对应1台机、3台和5台满发流量上下游水位差为0.04、0.11、0.14 m,影响较为明显。而围堰拆除至10 m时,围堰上下游水位差最大值为0.02 m,对电厂尾水影响较小。试验测得相应工况下围堰顶部流速,最大流速见表3。最大流速均位于围堰上游边缘,相对围堰拆除高程15.00 m,拆除至10.00 m时流速均有所减小。考虑剩余围堰填筑石渣料在水流持续冲刷下,易对下游河道造成淤积,因此推荐下游横向围堰全部拆除,土石方拆除工程量96×104m3。

3.4 下游纵向围堰

大藤峡26孔泄洪闸下游采用二级消力池底流消能,分左、中、右3个分区,其中纵向围堰下游段是中区和右区5孔泄洪闸的隔墙,因此纵向围堰下游段拆除主要考虑对消力池出池水流扩散及下游冲刷的影响。在下游横向围堰拆除至10 m高程基础上,对下游纵向围堰全部保留、拆除至高程30.0、26.5 m高程3个方案进行对比研究,控制工况为泄洪工况。

纵向围堰全部保留时,宣泄20年一遇洪水,右区下游冲坑最深点高程15.4 m,冲深4.6 m,冲坑位于消力池下游的纵向混凝土围堰右侧堰脚附近,距离消力池尾坎末端16 m;宣泄100年一遇洪水时,围堰左侧堰脚处产生冲刷,高程多数低于围堰基础高程20 m,最深点高程17 m,冲深5 m,位于消力池下游176 m堰脚处,冲坑最深点及堰脚冲刷数据见表4,模型冲刷情况见图6;宣泄1 000年一遇洪水时,消力池下游最深点为12.5 m,左侧堰脚冲刷高程为19.7。纵向围堰拆除至30 m高程时,宣泄100年一遇洪水时,纵向围堰左侧呈淤积形态,最高点同围堰拆除高程30 m,模型冲刷情况见图7;宣泄1 000年一遇洪水时,消力池下游最深点12.90 m,左侧堰脚冲刷高程21.50 m。纵向围堰拆除至26.5 m高程时,以上各工况冲刷情况和拆除至30 m高程时相当,区别不大。右区下游冲刷较为严重的最不利工况为总流量11 500 m3/s、机组过流量6 500 m3/s、右区泄洪5 000 m3/s,围堰拆除至30.0、26.5 m高程时,右区堰脚冲坑最深点高程分别为13.4、12.7 m,两拆除高程的冲刷结果基本一致,均低于围堰基础高程。

表4 纵向围堰拆除不同方案消力池下游冲刷(100年一遇洪水)

图6 纵向围堰全部保留消力池下游冲刷(100年一遇洪水)

图7 纵向围堰拆除至30 m高程消力池下游冲刷(100年一遇洪水)

枢纽坝下河流成S型,受河势影响,左岸岸坡位于顶冲区,下泄水流明显集中冲击左岸岸坡,并在左岸厂房尾水渠上游段形成回流区,回流区后顶冲左岸岸坡。对于消力池下游水流扩散影响来看,随着纵向围堰拆除高程的降低,出池水流向右侧扩散有所增加,泄流对下游左岸岸坡的顶冲影响略有减弱,试验测得泄洪20年一遇情况下,纵向围堰全部保留、30 m高程和26.5 m高程左岸最大回流流速分别为1.01、0.96、0.89 m/s,下游左岸坡脚最大流速分别为4.52、4.38、4.30 m/s,拆除方案越低岸坡坡脚底部流速越小;百年一遇泄洪情况下,对应左岸最大回流流速分别为1.54、1.51、1.41 m/s,下游左岸坡脚最大流速分别为4.78、4.63、4.56 m/s。研究表明,纵向围堰拆除越低岸坡坡脚底部流速越小,但各方案间的岸坡坡脚流速值总体相差不大。

下游纵向围堰全面保留时,消能工设计工况下出现冲坑底高程低于围堰基础高程,影响纵向围堰工程安全,因此纵向围堰消力池下游段需要拆除。拆除至30.0、26.5 m高程2个拆除方案,在设计工况下均为左岸堰脚处为淤积状态,在右区冲刷不利工况下,堰脚右侧会出现冲坑均低于围堰基础高程,冲坑深度相差不大。2个拆除方案水力及冲刷情况差别不大,考虑尽量减少围堰拆除工程量,推荐下游段纵向混凝土围堰拆除至30 m高程,相关右区冲刷不利工况后期调度试验进一步研究论证。

3.5 优化研究影响分析

研究调整后的二期围堰拆除方案,整体泄流能力、水力学条件满足设计要求,上游横向围堰拆除高度提高,施工难度及风险相对降低;减少土石方开挖和混凝土拆除量分别为32.55万、5.86万m3,节省投资2 830万元。上下游横向土石围堰工期不变,但围堰拆除强度明显变低,纵向围堰拆除工期提前,强度不变。

4 结论

本文采用水工模型试验方法,综合考虑泄量能力、流态、冲刷、施工难度、工程投资、工期等因素,对大藤峡二期围堰拆除方案进行优化研究。优化后,上游横向围堰拆除高程由22.00 m变为右岸侧拆除至31.17 m高程,泄水闸段拆除至25.00 m高程;下游纵向围堰拆除高程由22 m提高至30 m高程,拆除长度202 m。纵向围堰上游段和下游横向围堰拆除方案经进一步研究维持原方案。