刚果(金)某水电站工程施工导流设计

吴甲一，李 杰，冯晓成

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津市 300222)

0 引 言

施工导流作为水电站工程建设施工的子系统，其导流方案优选与坝体施工进度的安排是相互影响的，必须通过整个工程的施工系统分析进行全面的协调、平衡，以达到总体施工系统的稳定与优化[1]。导流建筑物作为完成施工导流任务的重要临时建筑物，其设计是水电站工程施工组织设计的首要任务之一，设计的优劣影响工程的造价与工期，直接关系到工程建设的安全[2]。本文针对刚果(金)某水电站工程施工导流进行设计分析，确定了相应的设计原则，优化了施工导流设计，可为同类工程提供参考。

1 工程概况

刚果(金)某水电站位于中刚果省境内INKISI河上游河段，该河段落差近200 m，河道平均坡降11.11%，坡陡流急、水力资源丰富。水电站采用混合式开发方式，工程总体布置由拦河坝+引水系统+岸边式厂房组成。拦河坝采用混凝土重力坝+黏土心墙堆石坝混合坝型，最大坝高34.5 m。发电引水系统布置于河道右岸山体内，引水线路长度5 980.38m，发电额定水头175.5 m，发电设计引用流量为155.70 m3/s。

岸边式电站厂房布置于坝址下游河道右岸阶地上，尺寸为52.3 m×32.4 m×47.80 m(长×宽×高)，内装3台单机容量为83 MW的立轴混流式水轮发电机组。坝址河床局部基岩出露，左岸发育冲积滩地，滩地宽约20～25 m。坝址区出露地层主要有前寒武纪INKISI岩组及第四系(Q)松散堆积物。

2 导流标准

工程为Ⅲ等工程，拦河坝、发电引水系统、电站厂房等主要建筑物为3级建筑物，根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2017)的规定[3]，本工程导流建筑物级别确定为5级。

拦河坝施工导流采用全年10年一遇设计洪水标准，相应流量约553 m3/s。导流明渠封堵施工采用枯水期(6—10月)10年一遇设计洪水标准，相应流量约232 m3/s。拦河坝拦洪度汛采用全年30年一遇洪水标准，相应流量约645 m3/s。厂房尾水预留岩坎的挡水标准为全年10年一遇，相应流量约553 m3/s。

3 导流方式

(1)拦河坝

坝址处山体较平缓，不具备隧洞导流条件。坝址处河谷底宽130～200 m，不具备河床分期导流条件。经分析比较，坝址处左岸坡度15°～20°，基本具备明渠导流条件。

拦河坝施工导流采用围堰一次拦断河床、左岸明渠导流、基坑全年施工的导流方式。拦河坝上、下游施工围堰按全年导流标准设计，在其保护下进行大坝施工。

(2)厂房

电站厂房布置于坝址下游INKISI河右岸阶地上。由于厂房所处位置地面高程高于河道汛期水位，因此只需在河岸边预留岩坎并做好防渗，无需修建厂房施工围堰。

4 导流程序

(1)明渠施工阶段

第二年4—8月中旬，原河床过流，进行导流明渠施工。

(2)明渠导流阶段

第二年9月初河道截流，导流明渠过流。导流标准为10年一遇洪水，相应洪峰流量553 m3/s，上游水位719.15 m，下游水位713.48 m。

在河床上、下游围堰的保护下，完成混凝土坝段施工，该阶段共经历第二年11月—第三年5月及第三年11月—第四年5月两个汛期。

(3)明渠封堵阶段

第四年6月进行明渠封堵。利用河床部位已建成的2个底孔(4.5 m×4.8 m)过流，施工被明渠占压部位的坝体。导流标准为枯水期10年一遇洪水，相应洪峰流量232 m3/s，上游水位717.69 m，下游水位713.48 m。

(4)坝体拦洪阶段

第四年10月，右岸混凝土坝段及左岸坝体施工完成，导流工程结束。

5 导流建筑物布置

(1)拦河坝施工导流

根据拦河坝布置及坝址左岸的地形和地质条件，结合基坑开挖、施工交通和场地布置，确定上、下游围堰及导流明渠布置。

导流明渠泄流时应满足渠内水流通畅，且其进出口不应影响上、下游围堰的正常运用。导流明渠的布置采取进出口段为直线段、中间是半径为80 m的圆曲线布置方式。

导流明渠进口直线段长约81.69 m，进口转弯段长约73.70 m，渠身直线段长103.14 m，出口转弯段长约73.70 m，出口直线段长80.47 m，全长412.70 m。

坝址处河床高程在711 m左右，从降低截流难度等角度考虑，确定明渠进口高程为712.70 m，出口高程为711.00 m，纵坡为4.1‰。

明渠位于全风化岩石上，边坡采用1∶1.5，底宽采用16.0 m，渠道采用厚0.3 m全断面钢筋混凝土衬砌。

明渠水力学计算按明渠均匀流计算：

式中，Q为明渠泄水流量(m3/s)；A为明渠过水面积(m2)；C为谢才系数；R为水力半径(m)；i为明渠纵坡。

明渠进口处水流按宽顶堰计算：

式中，Q为明渠泄水流量(m3/s)；m为流量系数；δs为淹没系数；ε为侧收缩系数；H为上游水深(m)。

导流明渠在10年一遇洪水(Q=553 m3/s)时，水力特性指标如表1所示。

表1 导流明渠特性指标表

(2)厂房施工导流

根据电站厂房布置及厂址的地形和地质条件，结合施工交通和场地布置，确定厂房尾水处预留岩坎的挡水标准为全年10年一遇，相应流量约553 m3/s，岩坎前水位550.68 m。

6 导流建筑物设计

(1)导流明渠

导流明渠全长412.70 m，其进口高程为712.70 m，出口高程为711.00 m，纵坡为4.1‰。

明渠位于全风化岩石上，边坡采用1∶1.5，底宽采用16.0 m，渠道采用厚0.3 m全断面钢筋混凝土衬砌。

(2)大坝上、下游围堰

大坝上游围堰堰前水位为719.15 m，堰顶高程720.00 m，堰顶宽6 m，最大堰高7.3 m，堰长114.80 m。大坝下游围堰堰前水位为713.48 m，堰顶高程715.00 m，堰顶宽6 m，最大堰高3.5 m，堰长85.30 m。大坝上、下游围堰均为土石结构，迎水面防护均采用抛石护坡，堰体及堰基防渗均采用高喷防渗墙。

(3)明渠封堵上、下游围堰

明渠封堵上游围堰堰前水位为717.69 m，堰顶高程719.00 m，堰顶宽6 m，最大堰高6.8 m，堰长37.2 m。明渠封堵下游围堰堰前水位为713.48 m，堰顶高程715.00 m，堰顶宽6 m，最大堰高3.8 m，堰长25.0 m。

明渠封堵上、下游围堰均为土石结构，堰体防渗均采用黏土，迎水面防护均采用抛石护坡。

7 导流明渠封堵及水库下闸蓄水

根据施工总进度的安排，本工程导流明渠封堵时间选在第四年6月中旬，封堵标准为坝址多年6月平均流量，截流流量为77.20 m3/s。导流明渠封堵围堰结合左侧土石坝坝体填筑的施工进行布置。导流明渠封堵围堰挡水采用枯水期(6—10月)10年一遇设计洪水标准，相应流量约232 m3/s。左侧土石坝坝体填筑在封堵围堰的保护下施工。左侧坝体填筑完毕后，首部枢纽于第五年5月下闸蓄水。