doc向家坝水电站施工导流规划与设计.doc

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1、向家坝水电站施工导流规划与设计水利水电技术第37卷2D.6年第10期向家坝水电站施工导流规划与设计杨尚文(中国水电顾问集团中南勘测设计研究院,湖南长沙410014)【摘要】针对向家坝水电站特殊的自然条件和工程布置特点,其施工导流经过对多个方案进行比较,从施工布置,后期度汛,施工期通航,发电工期等方面考虑,选择了第一期围左岸,第二期固右岸的分期导流方案.文中对该方案进行了简要介绍,并介绍了有关导流建筑物,以及二期纵向混凝土围堰堰基覆盖层采用了沉井群等综合处理方案和二期导流采用的底孔加缺口联合泄流方式.【关键词】导流方案;分期导流;导流标准;导流建筑物;向家坝水电站中图分类号:TV551(271)

2、文献标识码:B文章编号:10000860(2006)10004305PlanninganddesignofconstructiondiversionforXianiabaHydropowerStationYANGShang-wen(MidSouthDesign&ResearchInstitute,CHECC,Changsha410014,Hunan,China)Abstract:InlightofthespecialnaturalconditionsandprojectlayoutcharacteristicsofXiangjiabaHydropowerStation,astagedi

3、versionschemewiththeleftbankbeingclosedatthefirststageandtherightbankclosedatthesecondstagehasbeenselectedthroughcomparisonofseveralschemesundertheconsiderationoftheaspectssuchasconstructionlayout,late-stagefloodcontrol,navigationduringtheconstruction,andtheconstructionperiodbeforethecommissioningof

4、thefirsthydropowergeneratingunit,Theconstructionschemeisbrieflyintroducedherein,andfurthermore,thediversionstructures,thecompositeschemeconsistingofopencaissongroupadoptedtotreattheoverburdenofthefoundationfortheStage2longitudinalconcretecofferdamandthediversionmethodofbottomoutletcombinedwiththedam

5、gapusedfortheStage2diversionaredescribedaswel1.Keywords:diversionscheme;stagediversion;diversionstandard;diversionstructures;XiangjiabaHydropowerStation1枢纽工程概况向家坝水电站坝址位于金沙江下游河段,左岸为四川省宜宾县,下距宜宾县的安边镇4km;右岸为云南省水富县,下距水富县城1.5km,是金沙江下游河段规划的最末一个梯级电站.向家坝水电站规模巨大,混凝土重力坝最大坝高162in,电站总装机容量6000MW.其开发任务以发电为主,同时改善航运

6、条件,兼顾防洪,灌溉,并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等综合作用.电站枢纽布置由大坝,厂房和升船机等建筑物组成.大坝挡水建筑物从左至右由左岸非溢流坝段,冲沙孔坝段,升船机坝段,左岸厂房坝段,泄WaterResourcesandHydropowerEngineeringVo1.37No.10水坝段及右岸非溢流坝段组成.升船机坝段位于河床左侧;发电厂房分设于右岸地下和左岸坝后,右岸地下厂房,左岸坝后厂房各装机4台,单机容量均为750MW,左岸坝后厂房安装间与通航建筑物呈立体交叉布置.2自然条件特点(1)坝址河床径流量大.坝址以上控制流域面积45.88万km,设计洪水峰高量大,历时长,要求导流泄

7、水建筑物规模大.坝址多年平均流量收稿日期:200606.26作者简介:杨尚文(1964一),男,高级工程师.杨尚文向家坝水电站施工导流规划与设计为4570m/s,相应年径流量1440亿m,坝址实测最大流量29000m/s.(2)地形.坝址位于向家坝峡谷河段出口处,河谷形态呈不对称的U型,河谷形态系数为5.1,底宽500m左右,两岸山势总体向下游倾斜;左岸边坡走向从上游的300.向下游逐渐偏转至282.,右岸边坡走向由300.逐渐偏转至340.,向下游敞开.主河槽偏右岸,河床左侧为砂砾石漫滩,其在坝轴线的宽度约300m.(3)地质.坝址区基岩主要为三叠系上统须家河组(T,i)的砂岩夹泥质岩石,河

8、床基岩面总体倾向上游,倾角为1.一6.,河床和两岸缓坡段的基岩表面覆盖有第四系不同成因的松散堆积物;坝址两岸及下游出露有(含煤岩组),和侏罗系中下统自流井组(J)红层,两岸岩层均倾向山里偏下游.河床覆盖层深厚,厚度变化在12.2879.5m之间,覆盖层主要为卵砾石夹砂和砂层,含块(碎)石和崩石,粉砂土,砂壤土以及淤泥质土,其组成大致可以归并为3层,从上至下依次为:砂卵砾石层;砂层;含崩(块)石的砂卵砾石层.(4)通航.金沙江宜宾至新市镇段为通航河段,坝址位于其中的水富至新市镇V级航道段范围内,航程75km,目前该段航道客,货运量逐年呈直线下降的趋势,但仍有部分客货船只在营运,因此,应根据发展趋

9、势解决好施工期客货过坝问题.3导流方案选择本工程规模巨大,其发电经济效益和社会效益十分显着.整个工程控制第一批机组发电工期的关键线路为大坝施工,而最有利于缩短大坝施工历时的莫过于一次拦断河床的隧洞导流方式.经初步分析计算,若采用隧洞导流,则需要6条17m21m的导流隧洞.但从坝址河谷形态和地形地质条件分析,右岸山势在逐渐向下游敞开,无完整连续的岩体布置导流隧洞,且布置有右岸地下厂房,左岸下游出露的T;含煤岩组和侏罗系自流井组J以泥质类软岩,较软岩为主,且有民间开采煤层的历史,成洞条件较差,不适宜于布置大规模导流隧洞.因此,本工程导流方式的研究重点放在了分期导流E根据本工程地形,地质,水文条件,

10、枢纽总布置和河道通航要求,拟定了第一期围左岸,第一期围右岸,第一期围左右两岸等三大类型多个分期导流布置方案进行研究.并随着研究工作的不断深入和施工期通航要求的变化,研究工作重点集中在3个较优的先围左岸的方案上,再从导流布置,施工和运行条件,施工期通航,施工总进度和工程投资等方面进行综合比较.3.1一期围左岸,二期围右岸.设临时船闸方案(简称方案1)第一期围左岸非溢流坝段及冲沙孔坝段,在一期围堰围护下,进行左岸非溢流坝段及冲沙孔坝段的施工,并在非溢流坝段内设置二期导流所需的5个10m14m(宽高)的导流底孔及高程280.O0m,宽115m的缺口,在冲沙孔坝段留设10m31m(宽高)的临时船闸孔;

11、同时在一期基坑中进行二期混凝土纵向围堰,上下游引航道,上下游引泄水渠等项目的施工,由束窄后的右侧主河床泄流及通航.第二期围右岸,待导流底孔和临时船闸具备运行条件后,拆除一期土石围堰横向段,于第3年11月进行二期右侧主河床截流,在二期基坑中进行右岸非溢流坝,泄水坝,消力池,左岸坝后厂房及升船机等建筑物的施工,由左岸非溢流坝段内的5个导流底孔及高程280.O0m,宽115m的缺口泄流,临时船闸通航.第6年枯水期,开始加高左岸非溢流坝段内的缺口,由5个导流底孔和10个永久中孔泄流,临时船闸继续通航.第7年汛前坝体全线达到拦洪高程以上,左岸坝后厂房自身具备挡水度汛条件,由5个导流底孔,临时船闸孔和10

12、个永久中孔联合泄流度汛.汛后于第7年11月下闸封堵临时船闸孔和导流底孔,水库蓄水,第7年底地下厂房第一批机组发电.第8年汛前导流底孔封堵完毕,汛前大坝已全线达到坝顶高程.3.2一期围左岸,二期围右岸,不设临时船闸方案(简称方案2)该方案左岸不设临时船闸,第一期围左岸非溢流坝段,冲沙孔坝段,将方案1中在冲沙孔坝段设置的临时船闸孔改为导流底孔,其导流程序与左岸设临时船闸方案基本相同.在一期围堰围护下,进行左岸非溢流坝段,冲沙孔坝段的施工,并在非溢流坝段内留设5个10m14m(宽高)的导流底孔及高程280.O0m,宽115m的缺口,在冲沙孔坝段内留设1水利水电技术第37卷2006年第1O期个10mX

13、14m(宽X高)的导流底孔;同时在一期基坑中进行第二期混凝土纵向围堰,上下游引泄水渠等项目的施工,由束窄后的右侧主河床泄流及通航.一期基坑内,因左岸不设临时船闸,一,二期纵向围堰的布置相对宽松.第二期围右岸,在二期基坑中进行右岸非溢流坝,泄水坝,左岸坝后厂房及升船机等建筑物的施工,由左岸一期基坑内留设的6个导流底孔及高程280m,宽115m的缺口泄流,河道客货过坝运输采用驳运或其他方式解决.第6年枯水期加高左岸非溢流坝段内的缺厂1,此后与方案1不同是后期导流由6个导流底孔和10个永久中孔联合泄流与度汛,其他程序与方案1完全相同.3.3左岸小明渠方案(简称方案3)该方案第一期导流与前述方案1和方

14、案2基本相同,不同的是在左岸基坑内不是留设二期导流用的5个或6个导流底孔,而是利用5个非溢流坝段设置100m宽导流明渠,明渠坝段大坝浇筑至底板高程260.O0m,明渠上,下游段的布置和方案1上,下游引泄水渠基本相同第3年11月右侧主河床截流后,由左侧明渠导流,左岸明渠同时兼顾小流量范围内的通航.在有岸基坑进行右岸非溢流坝,泄水坝,左岸坝后厂房及升船机等坝段的施T,并在泄水坝段下部没置12个6mX12m(宽X高)三期导流底孔.第6年11月进行左岸明渠截流,时段围堰形成后,开始浇筑明渠占压的左岸非溢流坝段,此时由右岸泄水坝段内设置的12个导流底孔泄流.第7年汛前坝体全线达到拦洪度汛高程以上,左岸坝

15、后厂房自身具备挡水度汛条件,由12个导流底孔和10个永久中孔联合泄流度汛.汛后于第7年11月右岸导流底孔下闸,水库蓄水,年底地下厂房第1台机组发电.由于12个导流底孔占满了整个泄水坝的泄流通道,导流底孔的混凝土回填施工需分2个枯水期进行,第7年12月第8年5月回填6个导流底孔,第8年11月第9年5月回填另外6个导流底孔,封堵时由泄水坝段另一侧的5个永久中孔和6个表孔泄流.3.4方案比较三个方案从以下几个方面进行比较.(1)一期基坑内建筑物的布置与施工.三个导流方案第一期围堰的布置基本相同,工程施工控制工期亦基本相同.不同点主要体现在二期和水利水电技术第37卷2D06年第10期杨尚文向家坝水电站

16、施工导流规划与设计后期导流的泄水通道及二期纵向混凝土围堰的布置_卜.方案1需相应设置上,下游引航道,这样二期纵向混凝土围堰左侧需留足引水渠和引航道的宽度,二期纵堰与一期纵向土石围堰距离很近,围堰及堰基处理施:干扰较大.方案2二期导流泄水建筑物为6个导流底孔加缺口,方案3为左侧5个导流底孔坝段对应宽度的明渠,都因取消临时船闸及引航道,一,二期纵向围堰距离加大,围堰施工干扰减小.(2)二期基坑内建筑物的布置与施工.:二期基坑范围内水工建筑物布置有泄水坝段和左岸厂房坝段等,方案3需在泄水坝段布置12个6mX12m的三期导流底孔,与永久表孔,中孔形成三层孑L洞,结构复杂,施工程序复杂.从二期基坑内工期

17、来分析,方案1,方案2下游围堰挡水至第7年5月才拆除,而方案3在第6年10月就开始拆除围堰,消力池的开挖与浇筑,坝后厂房有关埋件的运输,升船机的塔楼及闸首的浇筑都可以利用右岸基坑,时间更有保证.(3)后期缺口加高与度汛.3个导流方案均从第6年11月起,开始加高左岸非溢流坝段(或缺口,或明渠坝段),加高高度分别为50.83m,60.O0m和78.60m,方案3因需进行三期截流和形成三期基坑,第7年坝体抢拦洪高程的浇筑时间只能利用第7年的16月,且明渠坝段抢到度汛高程的高差更大,因此,方案3实现的难度最大.(4)坝后厂房发电工期.3个方案第一批机组发电时间相同,方案2和方案3总工期相同,为9年6个

18、月,方案1总工期为10年1个月.由于左岸坝后厂房的永久进厂通道跨二期导流底孔或明渠坝段,大1进厂道路形成的时间各不相同,各方案坝后厂房机组发电时间存在较大差异.各机组发电时间见导流方案综合比较表.(5)导流程序与下闸风险分析.3个方案从导流程序上分析,方案3需反复三期施工,右侧12个导流底孔布满了整个泄水坝段,封堵必须分两个枯水期进行,施工程序复杂,风险大.从度汛上分析,方案1因临时船闸参与泄洪,临时船闸孔口大,闸门多,门槽及结构易受到破坏,存在一定风险;方案3在第8年临时拦洪度汛时,表孔底部有6个导流底孔未回填混凝土,泄洪消能运行工况不利,结构工况不利,存在一定风险.杨尚文向家坝水电站施工导

19、流规划与设计经综合分析,方案2导流程序简单,其截流,下闸,封堵和后期度汛的风险均最小最优.(6)施工期通航条件.第一期导流期均由束窄河床通航,通航条件完全相同;后期导流期客货过坝均采用驳运方式解决,条件也基本一样;3个方案在施工期客货过坝上的不同之处主要体现在二期导流期,方案1第二期为临时船闸通航,方案2第二期采用驳运的方式,方案3因二期为明渠导流,在小流量范围由明渠兼顾通航,超过此流量范围及第三期和后期一样采用驳运方式.方案1和方案3第二期导流期历时42个月,通航保证率分别为81.95%和56.67%,在一定程度上维持了航道通航的连续性,对航运发展有利.但由于金沙江向家坝坝址上游河段航运日趋

20、萎缩,工程施工期通过采用驳运方式解决少量的客货过坝问题,对通航发展影响有限.3.5方案选择3个导流方案综合比较如表1所列.表1导流方案综合比较比较内容方案1方案2方案3施工导流分期2期2期3期一期导流上游围堰顶高程/m290.50290.50290.50二期导流上游围堰顶高程/m3o6.50305.O0297.O0后期坝体拦洪高程/m330.83340.00338.60缺口填筑月平均上升高度/m6.357.5013.10下闸封堵孔数/孔6612底孔封堵回填需要时间1个枯水期1个枯水期2个枯水期施工期一期束窄河床通航束窄河床通航束窄河床通航客货过二期临时船闸通航驳运明渠+驳运坝方式后期驳运驳运驳

21、运第1批机组发电时间7年7年7年总工期10年1个月9年6个月9年6个月机组第11年1月第10年6月第10年6月坝后厂机组第10年4月第10年1月第10年1月房发电机组第9年11月第9年8月第9年8月时间机组第9年3月第9年3月第9年3月发电时间推迟/台?月1300从一期施工布置和施工程序角度看,设临时船闸方案施工导流布置难度大,施工干扰大;从二期基坑内有关建筑物的工期分析,小明渠方案保证性较差;从坝后厂房发电工期上分析,设临时船闸方案有3台机发电时间均有所推后,少发电达13台?月,显然不利.从导流程序和风险方面分析,方案2导流程序简单,其截流,下闸,封堵和后期度汛的风险亦最小,方案1次之,方案

22、3风险最大.从缺口加高的难度来讲,小明渠方案虽然采用碾压混凝土理论上能实现,但对于永久大坝工程,这样的上升速度亦远远超出国内现有水平.综合上述分析,并经2004年国家发改委组织审查,选用方案2左岸不设临时船闸的分期导流方案.4导流标准根据本工程一,二期导流建筑物规模及有关设计规范,并结合向家坝工程特点,确定一期导流建筑物级别为级,二期导流建筑物级别为级.第一期选用土石围堰,第二期纵向,横向分别选用混凝土和土石围堰,综合分析工程的水文资料和对不同导流标准的技术经济比较,确定施工导流各阶段设计洪水标准及流量如表2所列.表2施工导流各阶段设计洪水标准频率流量导流分期导流时段注明/%/m3.sl一期土

23、石围堰挡水第1年12月第3年l1月5282oo全年洪水二期围堰挡水第3年12月第7年6月232O00全年洪水后坝体挡水度汛第7年6月第7年10月134800全年洪水期导流底孔封堵第7年l1月第8年5月106650时段洪水5主要导流建筑物设计5.1一期土石围堰一期土石围堰布置于左岸砂砾石大滩坝上,纵向段基本布置于常水位以上的大滩坝边缘,围堰总长1302.36m.上游段围堰堰顶高程290.50m,下游段围堰堰顶高程288.80m,覆盖层以上最大堰高50m.背水侧填筑边坡与基坑覆盖层开挖边坡直接相连,实际高度达55.5m.一期围堰断面型式选用土工膜斜心墙结构型式,堰体主要采用块石,石渣和砂砾石填筑.

24、根据混凝土防渗墙和高喷体防渗墙的适应性,结合本工程坝址砂砾石漫滩特点,堰基防渗采用塑性混凝土防渗墙防渗为主,高喷体防渗墙为辅的原则,塑性混凝土防渗墙厚0.8Om,高压旋喷灌浆防渗主要在不含孤石或大块石且覆盖层深度较浅的地段采用.一期围堰形成后,右侧河床束窄,河床过流流速加大,围堰纵向段迎水面根据不同的流速分区采用不同厚度的铅丝石笼防护;上游及下游横向段迎水面流速较小,采用1.O0m厚块石保护;同时在围堰迎水侧坡脚平抛宽820m,厚度13m的大块石,块水利水电技术第37卷2006年第1O期石粒径0.51.2m,以加强围堰堰基的保护.5.2二期土石围堰二期上游横向土石围堰位于大坝轴线上游18531

25、5m,左侧与第二期纵向混凝土围堰上游段相接,右侧与右岸地表裸露基岩相接.围堰轴线长353.36m,堰顶高程305.O0m,顶宽10m,最大堰高49.80m.防渗型式与一期土石围堰相同,堰体主要由砂卵砾石,堆石,过渡料填筑而成,堰基塑性混凝土防渗墙布置在围堰轴线上游侧25.O0m,墙厚0.80m.二期下游横向土石围堰位于坝轴线下游504730m,左侧与二期纵向混凝土围堰下游段相接,右侧与右岸部位河流冲积及阶地堆积物相接;围堰轴线长485.12m,堰顶高程290.50m,堰顶宽10m,最大堰高37m;本围堰亦采用堰体复合土工膜斜心墙,堰基覆盖层塑性混凝土防渗墙的围堰型式.5.3二期纵向混凝土围堰二

26、期纵向混凝土围堰由大坝上游段,与永久建筑物结合段及下游段三部分组成,总长901.45m.其轴线结合河床左侧冲沙孔坝段布置,并利用其作为第二期纵向围堰的一部分.大坝上游段总长250.O0m,堰顶高程305.O0m,最大高度90.42m;与永久建筑物结合段总长376.45m,顶高程348.O0292.50m;下游段总长240.O0m,为重力式碾压混凝土围堰,堰顶高程290.50280.O0m,最大高度31.50m.二期纵向混凝土围堰大坝上游段位于深厚覆盖层上,覆盖层厚达4562m,因而大坝上游段的建造成了向家坝工程导流方案成立的一个关键点之一.根据二期纵堰大坝上游段各部位的受力条件和功能的不同,从

27、上游至下游大致分为4小段进行设计,各段上部基本相同,均为重力式混凝土结构.第一段长40m,在二期基坑以外,两侧仅有流速水头差;围堰顶高程272.O0285.50m,基底高程257.O0m,堰顶宽3.O0m,高程257.O0m以下采用数排高压旋喷桩承载,桩深要求穿过砂层达含崩(块)石的砂卵砾石层.第二段长58m,两侧有水(其水位差为流速水头),其右侧与二期横向土石围堰相接;围堰顶高程285.50305.O0m,混凝土底面高程257.O0m,顶杨尚文向家坝水电站施工导流规划与设计宽3.007.O0m,高程257.O0m以下采用满堂高压旋喷(灌浆)体承载.第三段长76m,单侧挡水,背水侧不需要开挖覆

28、盖层或有二期横向土石围堰;第四段长76m,单侧挡水,背水侧待二期工程坝基开挖后为临空面.这两段堰顶高程305.O0m,堰顶宽度7.O0m,高程270.O0m以下采用混凝土沉井群作为挡土墙,沉井同时兼作堰趾的一部分,然后挖除覆盖层至基岩,在基岩上浇筑混凝土.堰体设排水孔,和排水廊道,底部设基础帷幕灌浆一道.5.4二期导流泄水建筑物第二期导流泄水建筑物由上游引水渠,导流底孔和缺口,下游泄水渠组成.上游引水渠由左岸覆盖层砂砾石滩地开挖而成,底宽123.O0m,底板高程260.O0m;引水渠底板分段衬砌,上游段采用0.801.O0m厚的抛石护底,粒径0.401.O0m,局部采用钢筋石笼;近坝约300m

29、采用0.502.O0m厚的混凝土板护底.下游泄水渠基本上由左岸山体开挖而成,建基面为基岩,最窄处底宽为100.O0m,底板高程260.O0nl.泄水渠底板亦分段衬砌:混凝土衬砌厚度在导流底孔出口附近为2.50nl,泄水渠尾部0.50nl.向家坝工程在冲沙孔坝段及相邻的5个非溢流坝段内布置了6个10nlx14nl(宽x高)的二期导流底孔,底孔底板高程260.O0nl,城门洞型,底孔长195.5nl;在非溢流坝段高程280.O0nl处布置了宽115nl的缺口.二期导流期间,由6个导流底孔和115nl宽缺L联合泄流,后期导流则由6个导流底孔和10个永久中孔联合泄洪度汛.6结语施工导流黄穿整个工程施工的全过程,从某种意义上讲可以说是一个水电工程建设的灵魂,其方案的选择涉及到地形地质条件,工程枢纽布置及河道径流和通航条件等.向家坝水电站规模巨大,由于坝址地形地质条件的特殊,再加上金沙江流量大,且需考虑通航条件等,使得施工导流变得十分复杂,本工程经过多方案的比较论证,选择采用先围左岸,二期不设临时船闸的分期导流方案.(责任编辑欧阳越)绿化袒造福类水利水电技术第37卷2006年第10期47