乐昌峡水利枢纽工程施工导流设计

乐昌峡水利枢纽工程施工导流设计
刘力捷;姚礼敏
【摘要】乐昌峡水利枢纽工程的施工在1个枯水期内碾压砼重力坝的浇筑达不到拦洪高程,其下游尾水洞和左岸地下厂房工程要经历2个汛期才能完成,而大坝在溢洪道闸门安装前抵档不了全年导流洪水,汛期存在溢洪道过洪的可能.该工程施工导流设计时综合考虑了围堰和大坝挡水、过水等各种情况,并通过合理安排施工工期,尽量利用永久建筑物拦洪,以减少导流投资,加快施工进度.
【期刊名称】《广东水利水电》
【年(卷),期】2012(000)001
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】乐昌峡水利枢纽;施工导流;设计
【作者】刘力捷;姚礼敏
【作者单位】广东省水利电力规划勘测设计研究院,广东广州 510635;广东省水利电力规划勘测设计研究院,广东广州 510635
【正文语种】中文
【中图分类】TV551.1
1 工程概况
乐昌峡水利枢纽工程是以防洪为主，结合发电，兼顾航运、灌溉等效益的综合利用枢纽工程，正常蓄水位为154.5m，校核洪水位为163.0m，其防洪库容为2.11
亿m3，总库容为3.44亿m3，电站装机为132MW。

工程等别为Ⅱ等大(2)型，
主要建筑物的级别为2级。

枢纽主体工程主要由拦河坝、左岸输水系统及地下厂
房等组成。

拦河坝为碾压混凝土重力坝，由两岸非溢流坝段和河床溢流坝段组成，坝顶高程为163.2m，最大坝高为83.2m，坝顶长为256m;溢流坝共5孔，每孔净宽为12m，溢流堰顶高程为134.8m，闸孔孔口尺寸为12m×10.7m。

输水系统布置在左岸，引水、尾水隧洞均采用1洞1机的布置形式，采取垂直厂
房进出水。

引水隧洞洞径为6.3m，最大洞长为226.404mm;尾水隧洞洞径为
6.9m，最大洞长为286.993m。

地下厂房从左到右依次布置主机间、安装间和主变室。

主机间尺寸为
63.54m×19.0m(长×宽)，机组安装高程为88.0m，主机间高为51.72m，内装3
台单机容量为44MW水轮发电机组。

安装间尺寸为30.2m×19.0m(长×宽)，副厂房布置在安装间下两层。

主变室尺寸为30.2m×19.0m。

主机间的排风通过布置在主厂房右端的排风出渣洞通风，对外交通从安装场下游侧由双车道隧洞引出，与左岸进厂道路相连［1］。

2 施工导流条件分析
2.1 气象、水文条件
乐昌峡水利枢纽工程位于粤北山区，属中亚热带山地气候，气候湿润，雨量充沛。

多年平均气温为19.6℃，最高气温为39.4℃，最低气温为-4.6℃;多年平均湿度为80%;地区全年以北风为主，多年平均风速为1.30m/s，最大风速为17m/s;多年平均降雨量为1 500mm，降雨年内分配不均匀，汛期4～9月的降雨量占全年的74%，枯水期10～3月的降雨量仅占全年的26%。

坝址处多年平均流量为138m3/s，汛期已发生最大洪峰流量为8 120m3/s，最小流量为6.1m3/s，洪枯比大，洪水陡涨陡落，洪水历时一般为3d。

坝址处不同时段、不同频率的流量成果见表1。

表1 分期洪水成果(单位：m3/s)6 040 P=2% / / / / / 5 340 P=5% 2 470 2 090 2 240 1 766 1 050 3 820 P=10% 1 950 1 440 1 730 1 396 826 3 220 P=20%月全年P=1% / / / / /时段 9～3月 10～2月 10～3月 11～3月 11～2 1 430 875 1 240 1 032 607 2 600
2.2 地形、地质条件
枢纽布置区位于河道缓拐弯段，上游为N30°W，下游呈近南北向。

河谷呈“V”
字形，河面较窄，枯水期河面宽为60～70m。

坝轴线附近河床高程为90～92m，砂卵石覆盖层厚为5～8m。

坝址两岸山体雄厚，岩石以轻变质石英砂岩为主，夹
少量绢云母板岩，岩体完整性较好，风化较浅。

坝址区内所见断层，其破碎带胶结较好，倾角较陡。

地形、地质方面具有布置导流隧洞的优越条件［1］。

2.3 枢纽布置情况
从枢纽布置上来看，引水洞布置在大坝上游左岸约为200m处鞋坑水沟道边，进
口底板高程为124.9m，高程相对较高，不需要导流，汛期要利用进水口闸门拦洪度汛;尾水口布置在大坝下游左岸约为250m处，出口底板高程为87.5m，低于河床常水位为10m多，施工期作为厂房下部开挖、砼衬砌及施工机械、材料的运输通道，要经历2个汛期;大坝建基面最低施工点高程为80m，低于河床常水位为
18m，砼施工经历1个汛期。

所以尾水洞、地下厂房及大坝施工需进行施工期导流。

2.4 施工导流总体思路
根据以上分析，乐昌峡水利枢纽工程施工导流的总体思路有以下几点：
1)进水口施工点较高，不需要施工导流，但需考虑提前施工进水口下闸度汛;
2)大坝河床基坑开挖及下部砼在上、下游围堰保护下施工;
3)尾水洞和地下厂房在上游围堰或已完成的坝体及下游围堰挡水条件下施工;
4)导流布置中应将引水系统和地下厂房工程与大坝工程施工导流结合起来，适合采用隧洞导流方式。

3 施工导流设计
3.1 导流标准
乐昌峡水利枢纽工程为Ⅱ等大(2)型工程，其主要建筑物级别为2级，导流建筑物
级别为4级。

导流建筑物采用10年一遇洪水标准［2］。

3.2 度汛标准
大坝施工的第1个汛期坝体砼浇筑到112～134m高程，相应水库库容为0.1亿～0.6亿m3，因此第1年汛期度汛标准采用20年一遇洪水标准，相应流量为3
820m3/s。

大坝施工的第2个汛期导流洞的主要作用为降低库水位和泄洪，保证大坝溢洪道
闸门安装和地下厂房工程正常施工。

汛后导流洞封堵，汛期度汛标准为20年一遇洪水标准，相应流量为3 820m3/s。

3.3 导流方式
大坝坝基开挖深度约为10m，土石方开挖约为40万m3，坝基还需进行固结灌浆，按照一般的施工水平估算，大坝很难在1个枯水期升高到拦洪度汛高程，在截流
后的第1个汛期，围堰仍要发挥作用(挡水或汛期过水、汛后继续挡水)。

枢纽工程采用碾压砼坝和地下厂房布置方案，大坝施工导流兼顾洪水对地下厂房施工的影响。

由于枢纽布置处河床狭窄，河谷底宽仅50～60m，两岸山坡陡峭，地形上不具备分期导流条件，加之坝型为碾压砼坝，不宜分期分段施工。

隧洞导流具有施工简单、施工干扰小、工期短、方便布置等优点，故枢纽工程施工导流采用一次拦断河床、隧洞导流方式。

3.4 导流建筑物设计
导流建筑物设计时综合考虑地形、地质条件、洪水特性、工程施工进度和淹没损失
等各个方面。

本文不再赘述导流建筑物的比较过程，仅对实际采用的建筑物结构形式加以阐述。

3.4.1 导流隧洞
1)隧洞进口设计
导流隧洞进口处山体陡峻，山坡倾角为50°以上，而且覆盖层浅，部分岩石裸露，具有较好的修建岸塔式进水口的条件。

进水口段长为16m，底板高程为94m。

封堵闸门安装高程为118.0m，启闭机排
架顶部高程为140m。

进口顶拱和侧墙均按1/4椭圆曲线设计，曲线方程分别为：顶拱x2/82+y2/52=1，侧墙x2/82+y2/22=1。

曲线末端接闸门槽，闸门槽宽度
为1.38m。

进水塔上游段明渠右侧墙为扭面，长为29m，边坡高度为55m，由衡重式挡墙渐变为1∶0.5斜墙，扩散角为15°，墙顶高程为107.0m;左侧墙为衡重式圆弧形挡墙，墙顶高程为104.0m，墙背水侧填筑石渣至118m闸门安装道路，表面采用砼护面。

明渠底板高程为94m。

2)隧洞洞身断面设计
导流隧洞洞身全长为572m，出口因交通需要设5m长涵洞段。

其中0+000～
0+020桩号段为渐变段，断面由10m×13m的矩形断面渐变为城门洞型断面。

起坡点桩号为0+000，进口底部高程为94m，出口底部高程为92m，纵坡为
3.62‰，涵洞底部为消力池斜坡段，隧洞按有压流设计。

导流洞进口洞段为23m长Ⅳ类围岩，出口洞段为27m长Ⅴ类围岩，洞身段Ⅱ类
围岩为长36m，Ⅲ类围岩为长378m，Ⅳ类围岩为长108m。

导流洞采用锚喷(一次支护)和现浇钢筋砼复合式衬砌方案［3］：
一次支护：Ⅱ类围岩段侧墙和顶拱喷100mm厚C20砼;Ⅲ类围岩洞段侧墙和顶拱喷100mm厚C20砼，并布置间、排距为2.0m、长为4m的系统锚杆，还设4～
8m的随机锚杆备用;Ⅳ类围岩段侧墙和顶拱喷150mm厚C20砼，并布置间、排
距为2.5m、长为4m和8m的系统锚杆和间距为0.8m的I25a型工字钢拱架，
结合超前锚杆、钢筋网、喷砼等组合支护方式;Ⅴ类围岩段主要位于隧洞出口，采
用超前管棚支护洞顶进洞，锚杆和喷砼与Ⅳ类围岩段相同，I25a型工字钢拱架间
距为650mm，采取边墙挂网的支护方式。

钢筋砼衬砌：Ⅱ类围岩洞段边墙和底板衬砌厚度为0.9m，顶拱衬砌厚度为
0.7m;Ⅲ类围岩封堵体上游洞段边墙和底板衬砌厚度为1.2m，顶拱衬砌厚度为
1.0m，封堵体下游洞段边墙和底部衬砌厚度为1.0m，顶拱衬砌厚度为0.8m;Ⅳ类围岩洞段(进口渐变段除外)边墙衬砌厚度为1.4m，底板衬砌厚度为1.5m，顶拱衬砌厚度为1.2m;Ⅴ类围岩洞段边墙和底部衬砌厚度分别为1.5m和
2.0m，顶拱衬
砌厚度为1.5m;进口渐变段侧墙由2.5m渐变为1.4m，底板由3.0m渐变为1.5m，顶拱由2.5m渐变为1.2m。

为了降低洞顶以上的外水压力，在渐变段以外的洞顶
弧段预留4.0m长、间隔为3.0m的排水孔，采取梅花形布置。

衬砌砼均为C25
钢筋砼。

3)隧洞出口设计
影响导流隧洞出口设计的因素包括：①山坡129m高程现有进村公路，在导流洞
出口施工期间，征地移民尚未完成，现有进村公路必须保证正常运行;②出口段山
体以全风化和强风化石英砂岩为主，受进村道路及地形条件限制，开挖边坡较陡，需进行处理;③根据施工总体布置要求，主体工程施工道路从出口洞顶通过;④导流
洞出口消能防冲要求。

出口洞脸及侧墙边坡开挖坡度根据岩石类别为1∶0.5～1∶1.2，采用锚杆+喷砼和锚杆+挂网+喷砼两种加固方案，锚杆长度为4～9m，喷砼厚度为100mm。

导流洞出口消力池采用一级消力池方案，桩号0+572～0+582底板为10m长的
斜坡段，单边扩散角为6°，坡比为1∶4。

0+572～0+577 为明洞，0+582 ～
0+615.5为消力池段，池长为33.5m，底板高程为89.5m。

在0+615.5桩号为消力坎外侧，坎顶高程为95.0m，池深为5.5m。

消力池下游及左侧河床局部采用大块石防护。

2009年8月20日导流隧洞投入运行到2011年11月。

经历了 2010年“1.23”洪水(洪峰流量为1 360m3/s)、2011年“5.16”洪水(洪峰流量约为1 860m3/s)等6次洪峰流量超过1 000m3/s的考验，导流隧洞及进出口结构稳定，实际泄流能力与设计基本吻合，导流洞进口水位平顺，出口消能效果明显，没有造成任何破坏性冲刷。

事践证明，导流隧洞的设计是成功的。

3.4.2 上游围堰
1)围堰堰形的选定
从地形、地质条件来讲，大坝上游200m范围内河床宽为30～50m，高程为90～95m左右，两岸山坡较陡，河床覆盖层较薄，砂卵石层厚为0～2.9m，局部基岩裸露，弱风化、微风化带埋深浅，岩石较完整。

F1、F2断层为顺河向，与横剖面大角度相交。

除坝肩古滑坡体不宜采用拱围堰外，具有布置其它任何形式围堰的条件。

从适应性方面比较：大坝基础处理工作量大，1个枯水期施工到112.5m高程，比枯水期拦洪高程还低8m多，这种情况一般采用过水围堰、汛期通过坝体预留缺口过洪的导流形式，而且这种围堰形式适应性较强。

大坝在1个枯水期如果因某种原因造成开工时间拖后或施工条件发生较大变化，对总工期更有保证。

枯水期不过水围堰要求按照设计进度施工，对施工控制及管理要求较高。

从投资方面比较：全年围堰挡水还需要增加1条导流洞，投资太大，不宜采用;砼过水围堰投资约为2 009万元，土石过水围堰投资约为1 441万元，而枯水期围堰投资约为840万元，枯水期土石围堰方案投资最小。

从安全性比较：砼过水围堰稳定性较好，安全性高;土石过水围堰溢流面最大流速
达17m/s，对坝面砼平整度和砼块之间接缝、止水等要求非常高，一旦堰体出现
不均匀沉陷，将会出现坝面砼失稳情况，风险较大;枯水期土石围堰只要按照设计
进度施工，围堰失事风险较小，即使在施工期遭遇较大洪水，围堰一定高程设置防保护冲层，也可在短时间内恢复围堰，继续坝体施工。

从施工难度比较，碾压砼围堰需要在上游小围堰保护下施工，但小围堰施工简单，碾压砼围堰施工与大坝砼施工存在重叠，有一定干扰，加大了砼施工强度;土石过
水围堰堰面砼施工要求高，镇墩与土石堰体施工存在干扰，施工工期较长;枯水期
土石围堰施工简单方便，工期短，可集中精力进行坝体施工。

经过多方案、各方面的综合分析，实施阶段采用枯水期土石围堰形式。

并在围堰适当高程增设过水保护措施。

该围堰施工速度快、节省投资，为大坝低温季节施工赢得了宝贵的时间。

这种围堰形式在乐昌峡的实施证明是成功的。

2)枯水期土石围堰形式
本方案考虑在枯水期和前汛期利用上、下游土石围堰挡水，右岸隧洞导流，主汛期利用坝体挡水或大坝预留缺口度汛。

围堰挡水时段为10～4月，挡水标准为10～3月时段内采用10年一遇洪水标准，相应坝址处洪峰流量为1 730m3/s。

将该流量与坝址处1964～2008年(2008年7月14日前)共44a(其中1969年无资料)水文资料对比，说明4月份堰顶过水几率是很小的。

1990～2006年塘角坝址4月份实际发生的洪峰流量统计见表2。

表2 塘角坝址4月最大洪峰流量统计(单位：m3/s)2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998流量年份444 919 1 054 1 056 975 1 071 1 298 712 759年份 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 平均流量1 348 1 579
1 006
2 714 1 155 1 015 639 1 35
3 1 123
围堰轴线布置在坝体上游约为115m处，为粘土斜墙+垂直砼防渗墙防渗土石围堰，堰顶高程为120.8m，最大堰体高度为29.8m，堰顶长度为115.7m。

围堰上游边
坡为1∶2.5，下游边坡为1∶2。

在围堰110m高程设砼和块石保护层，110m高程以下下游坡面设1m厚铅丝石笼护坡。

围堰上游坡面为1m块石护坡。

枯水期
挡水时段结束时(3月底)不主动拆除围堰，如果4月份发生超标洪水，允许保护层面以上的堰体冲毁。

实际施工时坝体砼浇筑高度比计划晚1个多月，围堰挡水时段要进入主汛期，增
加了围堰的过水风险。

为此对上游围堰形式作了局部修改，将初设110m高程过
水保护层抬高至114.8m，保护层和下游护坡全部采用碾压砼，上游坡面和子堰全部采用模袋砼护面形式。

在2011年遭遇“5.16”洪水(洪峰流量约为1 860m3/s)时，上游围堰堰前水位接近119m，围堰结构稳定，未见坡面裂缝和渗漏现象。

这也说明乐昌峡水利枢纽上游围堰的设计是经济合理、安全可靠的。

3.4.3 下游围堰
下游围堰既要保证大坝基坑干地施工，又要保证厂房尾水洞交通运输。

因为厂房施工期比大坝长1个汛期，施工期存在坝面过流可能，因此下游围堰采用过水围堰。

下游围堰的设计的目标就是上游围堰或坝面不过水时下游围堰也不过水，而上游围堰或坝面过水时下游围堰先过水，以提前在基坑内形成水垫，减少岸坡冲刷。

大坝施工到围堰顶高程之前，尾水洞出口及闸门井在上、下游围堰保护下施工，此时段下游围堰的挡水标准与上游围堰相同，为10～3月采用10年一遇洪水标准，相应上游洪峰流量为1 730m3/s。

当大坝施工高程超过溢洪道底板高程后，尾水
洞及厂房在大坝、尾水闸门和下游围堰保护下施工。

下游围堰过水标准为10年一遇全年流量，相应上游洪峰流量为3 220m3/s。

按照下游围堰使用要求，将下游围堰布置在坝轴线下游约340m尾水出口下游侧，该处河床宽约为30～50m，河床覆盖层厚为0～5.7m。

围堰采用粘土斜墙+0.8m 厚砼防渗墙防渗土石过水围堰，堰顶设土袋+粘土子堰，前期子堰顶高程为
106.5m，大坝拦洪时子堰顶加高至108m高程，溢流堰顶高程为102.8m。

溢流面下游坡度为1∶3，99m高程以上采用现浇砼块护面，厚度为1.0m，下部采用钢筋石笼护坡。

围堰上游坡坡比为1∶3.0，100m高程以下采用1.0m格宾石笼护坡，100m高程以上采用1.0m现浇砼护坡。

4 结语
经过乐昌峡水利枢纽工程施工导流设计和实践，得到以下几点体会：
1)对于在山区性河流上兴建的砼重力坝，如果采用隧洞导流方式，其上游采用枯水期围堰挡水是首选，即使汛期来临之前大坝浇筑不到拦洪高程，在围堰适当高程和下游坡增设过水保护措施也是经济的。

2)下游围堰设计时要考虑不同施工时段上游建筑物挡水标准、施工道路布置、基坑充水需要等因素，围堰堰顶高程会因施工时段的改变而逐渐升高。

3)施工导流是一个系统工程，是施工组织设计的一条主线，其设计是否合理对整个工程的进度、质量影响很大，不能因为是临时工程而忽视其重要性。

【相关文献】
［1］广东省水利电力规划勘测设计研究院.广东省乐昌峡水利枢纽工程初步设计报告［R］.广州：广东省水利电力规划勘测设计研究院，2009.
［2］中华人民共和国水利部.SL303-2004水利水电工程施工组织设计规范［S］.
［3］中华人民共和国质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部.GB50085-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范［S］.。