浅谈卡拉贝利水利枢纽导流及围堰工程施工

张晓夫

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 117200）

施工导流主要是为了将河道水流导引向预定的泄水建筑物，其设计方案是水利工程建设的前置条件和关键环节。导流度汛过程一般划分为初期导流、中期导流和后期导流。一般而言，施工初期挡水建筑物采用围堰工程，中后期为枢纽本身的挡水坝段。梁仁强等[1]通过对乌东德拱坝的施工仿真分析，优化了水利工程施工方案；关涛等[2]通过对大岗山拱坝施工的动态仿真分析，优化了大坝施工进度计划和资源配置方案。本文结合新疆卡拉贝利水利枢纽对导流与围堰施工进行探讨。

1 工程概况

卡拉贝利水利枢纽工程位于新疆境内的克孜河上，是克孜河流域开发的控制性工程，以灌溉、防洪为主，兼顾发电综合水利工程。

此水利枢纽工程总库容2.62亿m3。水库正常蓄水位1770.00 m，设计洪水位1771.35 m，校核洪水位1773.34 m，死水位1740 m，水库调节库容1.687亿m3。拦河坝最大坝高92.5 m，坝顶长度760.7 m，电站装机3×23.3 MW。工程建成后，将下游防洪堤防洪标准提高到50年一遇。工程规模为大(2)型，大坝为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高92.50 m，为1级建筑物。

拦河坝及泄水建筑物正常运用洪水重现期500年，相应洪峰流量4760 m3/s；非常运用洪水重现期5000年，相应洪峰流量7460 m3/s。

枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、导流洞、泄洪排沙洞、发电引水洞及电站厂房组成。大坝布置在主河床，溢洪道布置在右岸坝肩阶地，发电引水洞、泄洪排沙洞布置左岸山体内，电站厂房布置在左岸河床边。溢洪道右岸Ⅴ级阶地设置右岸防渗段，采用现浇混凝土墙防渗。

2 施工导流方案设计

2.1 洪水特性

克孜河洪水多发生在6、7、8三个月，主要是由于气温急剧上升使该河上游大量冰雪融化产生洪水。洪水受气温日变化影响较大，大部分峰型呈一日一峰，洪水历时一般在5天～10天左右。水文站测得年最大洪峰流量系列年际变化较大。1999年年最大洪峰值为2220 m3/s，为历年之首；1985年年最大洪峰仅234 m3/s，为历年最小峰值。此工程以防洪为主的综合利用水利枢纽，水库下游的防洪断面在克孜河卡拉贝利水库下游约25 km处，有支流卡浪沟吕克河汇入。考虑下游断面的防洪要求，本次进行了洪水地区组成计算，计算方法采用同频率法，采用2004年为典型年，以下游断面为控制断面，计算设计洪水，经计算下游断面设计情况下（P=0.2%）洪峰流量为4760 m3/s，校核情况下（P=0.02%）洪峰流量为7460 m3/s。

2.2 导流标准

本工程为二等工程，主要建筑物为2级建筑物。参照《水利水电工程施工组织设计规范（SL303-2004）》要求，导流临时建筑物为3级建筑物，设计洪水标准重现期为50 a～20 a，综合考虑主体建筑物特性和围堰形式，确定洪水重现期为20 a一遇。考虑施工进度计划和工程施工强度，枯水期导流时段选择在10月～次年4月。

2.3 导流方案选择

2.3.1 导流方式

通常导流施工围堰分为整体与分段围堰。整体围堰即拦截整个河床，对河道水流进行整体拦截与阻断，实现导流的目的。分段围堰是利用多段围堰将河床按照时间和空间合理分割分段导流。为了提高导流的实施效果，在具体的施工阶段，必须充分研究，确定分段围堰实施步骤，规划分段具体的导流策略。

本工程坝址区枢纽建筑物范围内，左右两岸无大的滑坡及不稳定的变形体，仅局部受裂隙切割组合，存在一些小的不稳定岩块，在施工中采用开挖、锚喷一般处理方法均可得到处理，且处理难度不大。河道年径流量较大，因此采用隧洞导流方式。

2.3.2 导流程序

根据围堰工程的实际情形和进度计划，坝址处10月和11月上旬的旬平均流量不大，结合库区的地形地貌和地质条件，按照施工进度计划合理安排施工强度，将工程的截留时段选在当年10月上旬。根据《水利水电工程组织设计规范》（SL303-2004）规定，截流洪水标准采用20 a一遇，截流设计流量选择20 a重现期10月上旬平均流量为41.7 m3/s。

表1 坝址处各月平均流量 单位：m3/s

2.3.3 导流水力计算

截流时上游来水量主要由导流隧洞泄流、上游河道调蓄流量、龙口泄流和戗堤渗流等几部分下泄。其中调蓄流量和戗堤渗流部分由于占比极小，对计算结果几乎无影响，故采用在最不利状况下的简化计算，即只考虑戗堤泄流和导流隧洞泄流流量。

导流隧洞进出口采用无控制自由堰流，洞内为无压流。龙口的宽为45 m，顶宽为54 m，龙口的水位～流量关系采用堰流公式计算，见式（1）：式中：Q为流量，m3/s；m为流量系数，本工程取0.32；B为龙口平均过流宽度，m；H0为上游水深，m。

根据式（1）计算龙口在不同顶宽时的水位～流量关系。

龙口截流抛石最大块径按照式（2）计算：

式中：d为石块的当量直径（m）；g为重力加速度；rs、r为石块和水的容重，石块取2.6 t/m3；v为计算流速；k为稳定系数，取1.02。

经计算，本空城龙口抛石块径大于0.3 m可满足要求。

2.3.4 截流施工

结合河道水文现状拟采用立堵法双戗进占，龙口位于主河槽。端头边坡设计为1∶1.5。头部采用铅丝笼防护，在龙口采取抛石护底。块石料采用2 m3挖掘机装15 t自卸汽车运送导流隧洞开挖石料至龙口抛入。砂砾石料和粘土料采用推土机平料，振动碾压。截流作业时，按照从下游往上游先后抛填块石、砂砾料和粘土料的顺序快速填筑[3]。围堰水上部分参照碾压试验确定的措施分层填筑碾压至设计高程，确保截流成功。

2.3.5 导流运行阶段损失估算

施工前为了明确投资风险收益比，应合理估算方案的风险损失，为此建立导流损失费与施工过程关系，见图1。

图1 施工导流运行期损失值分布图

导流损失包括3个方面：①初期导流T1～T2阶段，损失表示为f1(t)，包括围堰溃决损失、基坑二次排水清淤费用及工期延误损失。②初期导流至中期导流T2～T3阶段，损失表示为f2(t)，主要包括围堰溃决损失、基坑二次排水清淤费用、主体工程溃决损失及工期延误损失。③T3阶段为导流中期至后期阶段，损失主要包括主体工程溃决损失和工期延误损失。此阶段损失值较小，记为f3(t)。根据阐述建立导流期间运行损失函数，见式（3）：

3 结语

结合卡拉贝利水利枢纽工程，引入系统计算方法和风险估算公式，为确定经济合理、技术可行的导流方案提供合理方案。

（1）水利工程的施工过程与导流方案及围堰技术密切相关，直接影响工程最终的施工质量水平[3]。

（2）水利工程施工风险的不确定性导致风险损失的估量十分困难[4]。本文将施工导流失效后产生的损失划分为工程损失，基坑系统损失和工期损失，为风险决策及风险保险费率确定提供参考。