锦屏一级水电站施工导流方案研究与实践

'万方数据第29卷第2期四川水力发电V01．29，No．220l0年4月SichuanWaterPowerApr．，20l0锦屏一级水电站施工导流方案研究与实践王金国1’2，马光文1(1．四川大学水利水电学院，四川成都610065；2．二滩水电开发有限责任公司，四川成都610041)摘要：电站施工导流方案的优劣直接制约和影响电站主体工程的施工进度及投资控制。锦屏一级水电站工程规模巨大，经济效益及社会效益显著，控制第一台机组发电的施工关键线路为大坝工程施工。由于大坝基坑工程量大，施工历时长，加之坝址所在河段河谷狭窄、岸坡陡峻，研究选择合理的施工导流方案是电站建设的关键技术问题之一。运用理论分析、工程类比、风险分析、技术经济比较等方法，研究确定了锦屏一级水电站施工导流的方式、导流标准、导流方案和施工导流总体规划，经过初期导流的实践，证明该方案安全、经济、合理。有效地指导了工程建设。该工程施工导流方案的相关理论和方法可供类似工程参考。关键词：锦屏一级水电站；导流方案；研究；实践中图分类号：TV551；TV222；TV642文献标识码：B文章编号：1001-2184(2010)02-0089-051概述锦屏一级水电站工程枢纽由混凝土双曲拱坝、右岸地下厂房、泄洪洞等建筑物组成，装机容量为3600MW，混凝土双曲拱坝高305m，库容77．6亿m3，调节库容49．1亿m3，属不完全年调节水库。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》、《防洪标准》，枢纽工程为一等大(1)型工程，主要建筑物级别为I级。2施工导流方式由于电站坝址所处河段两岸谷坡陡峻、河道顺直狭窄、河床覆盖层深厚、岸坡岩体卸荷较深，特别是拦河大坝为高达305m的混凝土双曲拱坝，不宜采用分期导流和明渠导流方式。考虑到坝址区地质条件较好，具备开挖大型洞室的条件，根据电站的水文、地质条件、枢纽布置特点、控制性进度及导流工程量等因素，本工程推荐采用全年断流围堰、隧洞导流、基坑全年施工的导流方式。3导流标准及时段研究3．1初期导流标准3．1．1导流建筑物的级别工程围堰保护的混凝土双曲拱坝为I级建筑物，初拟围堰高度大于50m，相对坝基挡水高度超过100m，由围堰形成的库容约1．92亿n13，挡水时间为4年。根据《水利水电工程施工组织设计规范》和《水电枢纽工程等级划分及设计安全收稿日期：2009-09．1l标准》，导流建筑物级别为Ⅲ级。3．1．2初期导流标准研究根据Ⅲ级导流建筑物修建的土石围堰，其相应设计洪水标准为重现期50—20年。笔者从水文、工程类比、不同导流标准技术经济比较、导流标准的风险度决策等方面对其进行了全面分析比较。3．1．2．1水文分析根据雅砻江历史洪水调查资料进行分析，重现期20、30、50年的洪峰流量分别为8850m3／s、9370m3／s及10000m3／s。导流标准分别由重现期20年提高到30年、30年提高到50年后，流量分别增加520、630m3／s，堰前水位分别增加约4、5m；上游围堰堰体高度分别为53．5、57．5、62．5in；堰体填筑量分别约为71、85、103万m3，分别增加约14、17万m3，堰体填筑高峰强度分别为18．9、24．2、30．5万m3／s。尤其是当导流标准重现期从30年提高到50年，将使堰体填筑强度进一步提高，从而导致工期保证性差。为确保围堰工程按期完工，堰高不宜进一步增加。通过对历史洪水、实测流量和分期设计洪水成果等水文资料进行分析，并考虑围堰的施工条件，锦屏一级水电站初期导流标准选用重现期30年是比较合适的。3．1．2．2工程类比与本工程地形地质条件、坝型、坝高、水文特SichuanWaterPower囝 万方数据王金国等：锦屏一级水电站施工导流方案研究与实践2010年第2期性等各方面最相似的已建和在建工程(如二滩、小湾)类比，尤其是与本河段下游的二滩水电站相比，其初期导流标准均采用重现期30年一遇，故本工程初期导流标准采用30年一遇是合适的。3．1．2．3技术经济比较根据本工程围堰施工条件、施工方法、施工进度等进行分析，并参考国内外已建类似工程情况，在一个枯水期完成60nl左右高度的围堰是可行的；若围堰的高度进一步加高，施工强度加大，按期挡水风险则必然加大。据此原则，拟定导流洞断面分别为15nl×18In、15111×19m、16m×19m(宽×高)等三种方案，与目前世界上已建类似工程导流隧洞的水平相当。从地质条件分析，选用的三种导流洞洞径均是可行的，在结构设计和施工难度上无本质的差别，导流洞的洞径大小也不会成为初期导流标准选择的制约因素。以下着重围绕围堰及风险分析进行导流标准的分析比较。(1)围堰工程量及投资比较。基于围堰高60m左右，按照初期导流标准20、30、50年拟定了三个导流方案进行比选，(表1)。从表1中可以看出，导流标准由20年提高到30年，导流工程造价需增加1066万元；导流标准由30年提高到50年，导流工程造价增加l276万元。表1．导流工程投资比较表(2)上游围堰施工强度分析。各方案围堰规模均为60m左右，与本工程地形地质条件、堰型、堰高、水文特性等各方面最相似的二滩水电站进行类比，施工技术难度相当，各方案的施工强度和工期均可行(表2)。(3)初期导流标准风险分析。工程初期导流标准选择要处理好风险、投资(或费用)与工期三者之间的关系，主要取决于最囫$ichuanWaterPower大容许的施工进度要求和最大容许投资费用的限制，即协调处理确定性投资、围堰施工进度、超标准洪水发生时导流建筑物的损失及发电损失。①单目标风险分析。单目标风险决策分析是以风险概率树的方法确定风险损失费用，在风险发生后工程的损失期望值与导流建筑物费用之和最小的方案为最优方案。经分析计算，各方案的预期总费用见表3。由表3可知，方案2总费用最小，其风险度最低。表2上游围堰施工技术经济比较表表3单目标预期损失费用表导流洞+。重现期确定性费预期损失总费用洞径刀系／年用／Jg"元费用／万元／万元15m×19nl方案2303720123743957516Ill×19m方案35038477150739984②多目标风险分析。多目标决策是指将影响导流标准选择的所有因素(如风险率、费用、工期等)分别列出择优。本工程需要决策者综合考虑确定性投资、围堰施工进度、强度、超标洪水发生时导流建筑物的损失、发电工期损失及相应的风险度等多目标因素，对堰高在60m左右进行决策评价。比较结果见表4，从表4可知方案3最优。3．1．2．4初期导流标准的确定根据对历史洪水、实测水文资料和分期设计洪水成果进行分析，尤其是与本工程特点相似的已建和在建工程类比，对围堰的施工难度与导流工程投资等进行技术经济比较，结合初期导流标 万方数据第29卷总第135期四川水力发电2010年4月表4各方案风险决策指标表准风险分析成果，同时鉴于本工程规模巨大，导流工程一旦失事，直接影响发电工期，损失巨大，后果严重，因而选择导流标准为重现期30年，相应的导流洞尺寸为15m×19m。3．2坝体挡水度汛标准的研究根据施工进度，从2011年5月初至2013年11月底，坝体施工期需考虑临时挡水度汛问题。按《水利水电工程施工组织设计规范》(SDJ338—89)，经水力学计算并通过风险度分析，选择2011年坝体施工期临时挡水度汛设计洪水标准为100年一遇(10900m3／s)；根据大坝施工进度安排坝前拦洪库容，结合风险分析成果，选择2012、2013年中后期导流坝体施工期临时挡水度汛设计标准为200年一遇(11700m3／s)。结合坝体的施工进度，考虑初期导流洞为2条15m×19nl、导流底孔为5条5m×9m的导流方案，经调洪演算：初期导流期间，2011年5月初坝体浇筑高程超过1729m(坝高149rn)、坝体最低灌浆高程为l698m、施工期坝体的拦洪库容已达3．02亿1113，能够满足临时挡水度汛要求；中期导流期间，2012年5月底坝体浇筑高程超过1796m(坝高219m)、最低灌浆高程l782m、坝体拦洪库容已达21．53亿m3，最大悬臂挡水高度为4．63m，能够满足I临时挡水度汛标准要求；后期导流期间，2013年5月底坝体浇筑高程超过1869m(坝高269m)、最低灌浆高程为l845m、坝体拦洪库容已达52．26亿m3，坝体最大悬臂挡水高度为4．29—2．8m，能够满足临时挡水度汛标准要求。3．3截流、下闸、封堵、蓄水标准研究根据《水利水电工程施工组织设计规范》，考虑到本工程规模巨大，故截流、下闸和封堵标准采用上限值。根据河流水文特性和围堰截流难度分析，考虑到本工程的堰高、基础处理和堰体堆筑量等特点，河道截流时间选在11月中旬，河道截流标准采用11月中旬10年一遇的旬平均流量970m3／s；通过对封堵施工进度进行分析，为尽量减少下闸断流难度，导流洞与导流底孔下闸断流时间选在11月上旬，其设计标准采用11月上旬10年一遇旬平均流量为1230m3／s；为保障堵头施工进度，导流洞和导流底孔堵头施工时段选在l1月～次年5月，其封堵设计标准采用该时段20年一遇的流量(1840m3／s)；综合分析下游发电等因素，蓄水标准按保证率80％考虑，流量为1960—1220m3／s。4导流方案研究导流方案研究考虑的主要原则有：围堰型式及高度应满足在一个枯水期完建挡水；充分考虑导流建筑物与永久建筑物的结合，减少工程投资，后期导流在坝体上布置临时过水建筑物，利用永久泄洪孔口，坝身上孔口数量不宜过多；中后期导流建筑物宜分层布置，除满足泄洪过水与下游供水要求外，尚需考虑封堵闸门下闸、挡水的要求。4．1初期导流方案经过对单条、双条导流洞布置进行经济技术比较，选定双洞布置方案。比较了14m×18m、15m×18m、15m×19m、16m×19m、16m×20m(宽×高)五种洞径在导流标准为30年一遇情况下，各洞径相应的上游围堰高度分别为65．5rn、61m、57．5m、54m和51．5m。参考与本工程特点极为相似的已建和在建的二滩、小湾电站(上游围堰高度分别为56m、57m)，经过对不同方案进行技术经济比较并结合导流标准风险分析成果，推荐的初期导流洞尺寸为15m×19m(宽×高)，在初期导流标准为30年一遇时，上游围堰高度为57．5m。4．2中期导流方案导流底孔布置考虑的主要原则有：导流底孔的泄流能力应满足中期坝体挡水度汛要求；在导SichuanWaterPower田 万方数据王金国等：锦屏一级水电站施工导流方案研究与实践2010年第2期流洞下闸封堵期间，导流底孔泄流能力应尽量满m3／s时，拟定了中期导流底孔孔口尺寸5-5m×足封堵闸门设计挡水水位要求；应避免坝上导流7l"ltl、5—5m×8m、5—5m×9m、5—5m×10m、7底孔中的两侧边孔水流冲砸水垫塘岸坡；初期蓄一5mx6m、7—5rn×7m共六个方案进行调洪水期间，由于利用导流底孔工作闸门调节上游水演算和比较。为避免已完建坝体悬臂挡水压缝带位，闸门挡水水头宜在100m左右；由于导流底孔来后期接缝灌浆的困难，并考虑到导流底孔不骑运行期短，可采用不骑缝布置与高标号抗冲耐磨混缝布置、最大工作水头、出口工作闸门尺寸和最大凝土，简化高速水流下过水表面的抗冲蚀结构，加挡水水头以及水垫塘宽度有限、拱坝坝身开设的快坝体的施工进度；导流底孑L出1：3水流应纵向拉孔口数量不宜过多等因素，推荐采用布置5孔5开、分散水舌，入射水流对水垫塘底板的动水冲击m×9m的中期导流底孔。压力不宜超过永久泄水建筑物运行时的设计值。4．3后期导流方案据此，在模型试验的基础上，考虑高速水流下2012年11月，俟1700m高程导流底孔下闸门叶水封宜破坏、闸门震动较大等因素，导流洞封封堵后，由放空底孔、深孔、泄洪洞和提前发电机堵闸门设计挡水水头、导流底孔封堵闸门设计挡组等永久泄水建筑物单独或联合泄流。2013年水水头和出口弧门工作水头均按100m左右考汛前坝体接缝灌浆高程仅为l845m，库水位经水虑。为满足导流洞的下闸封堵、中期度汛、下游供库调蓄后，坝体施工面貌可以满足安全度汛要求，水和提前发电等要求，确定导流底孔底高程按7月底，待坝体接缝灌浆高程达到1860m后，可l700m布置。根据2012年汛前坝体接缝灌浆高利用汛期洪水抬高坝前水位至1845m高程，200程将达l782m，在中期导流设计流量为1l700年一遇洪水经水库调蓄后，坝体施工面貌可以满表5锦屏一级水电站施工导流程序规划表囫SwhuanWaterPow仃 万方数据第29卷总第135期四川水力发电2010年4月足安全度汛要求。在后期导流设计流量为1l700m3／s时，根据投入运行的机组数量，对不同时段开展调洪演算，满足安全度汛要求。根据机组安装进度要求，2012年8月底第一台机组安装完毕，随后每4个月安装一台机组。2013年6—9月期间，有3～4台机组投入运行。2013年11月坝体完建后，库水位按拟定的方式运行、控制。5锦屏一级水电站施工导流规划根据导流建筑物布置及施工总进度计划安排，以及研究选定的锦屏一级水电站工程施工导流方案，本工程施工导流程序划分为三个阶段。初期导流时段从2006年11月中旬河床截流到2011年11月上旬导流洞下闸断流之前，先后由围堰和坝体临时断面挡水，左右岸导流洞过流、度汛，共历时约48个月。中期导流时段从2011年11月上旬导流洞下闸断流至2012年11月上旬1700m高程导流底孔下闸断流之前，由坝体临时断面挡水，导流底孔、放空底孔和提前发电机组单独或联合泄流、度汛并调节库水位，共历时12个月。后期导流时段从2012年11月上旬1700rn高程导流底孔下闸断流后，由1750m高程放空底孔、深孔、泄洪洞、溢流表孔和提前发电机组单独或联合泄流、度汛，共历时12个月。具体施工导流程序见表5。6结语(上接第72页)(4)在克隆算法进一步应用方面，可以抛开母体，只谈遗传物质，也就是人为设定统计参数，进而复制出符合该统计参数的相应数据。譬如水库的设计洪水位参数，我们可以以某个水位值为平均值，考虑该河的历史资料，制定出相应的均方离差系数和偏差系数，从而克隆出水位数据，并从中选择最高水位值，结合频率分析拟定出结果，该结果还可以与以同频率或同倍比放大推出的结果相互印证比较，择优选用。其他应用还需要我们不断摸索，在工程中寻求发展。5结论克隆算法是笔者通过对遗传学的学习，同时参照了已经在水文界中广泛应用的免疫算法、遗传算法(GA)和人工神经网络(ANN)后初步提出按照确定的锦屏一级水电站施工导流方案，在各参建单位的共同努力下，本工程于2006年底顺利实现大江截流，2007年至2009年，围堰工程、导流洞工程经历了三个汛期的考验，经运行巡视检查和安全观测，导流建筑物运行正常，说明导流方案是科学合理的。2009年10月23日，锦屏一级水电站大坝已经开始浇筑，工程建设正按预定的计划推进。根据本工程施工导流方案，锦屏一级水电站围堰和导流洞还要经历2010、2011年汛期考验，导流工程的运行单位要加强汛期巡视和观测，确保建筑物正常工作，确保大坝工程、水垫塘施工安全度汛。在中期和后期导流阶段，建设单位要根据导流程序，按照每年度汛形象面貌的要求安排施工资源配置和施工计划，确保导流期间的度汛安全。另外，在四川省防办领导下，要根据2010年雅砻江气候和来水趋势预测，科学分析雅砻江洪峰的特点，为确保大坝工程以及大坝下游重要城镇、居民的生命财产安全，按照已经编制的《锦屏一级水电站围堰超标准洪水溃决应急预案》要求，做好应急演练和应急措施的全面准备，确保度汛安全。作者简介：王金国(1971-)，男，云南嵩明人，锦屏建设管理局副局长，高级工程师。在读博士研究生，从事水电工程开发建设管理工作；马光文(1960一)，男，陕西礼泉人，教授。博士，博士生导师，从事水电经济运行研究．I责任编辑：李燕辉)的一个轮廓，其中大部分概念是直接从生物学中引用过来的，缺少理论证明和实践检验。但所提出的克隆算法作为水文学中的新概念一旦被证明和应用，势必成为水文领域研究中的新武器，并将开创水文工作新局面。参考文献：[1]侯兴民．基于相似性导出基础的动力刚度矩阵[J]．世界地震工程。2002，18(1)：109—115．[2]高发桂．负向选择和克隆在网络入侵检测应用上的研究[J]．计算机工程与科学，2003，25(4)：30—32．[3】刘祖洞．遗传学(第二版)[M]．北京：高等教育出版社，2000．[4]金光炎．水文统计计算[M]．北京：水利出版社，1980．[5]丁晶，刘权授．随机水文学[M]。北京：中国水利水电出版社，1997．【6]马光文，涂心畅，王尊相．长期边际成本电力定价方法研究[J]．水力发电学报。1999，18(3)：9一14．作者简介：左幸(1980一)，男，四川三台人，工程师，博士，从事水电经济管理及电力市场研究．(责任编辑：李燕辉JSichuanWaterPower圆'