土石方與導截流工程

高落差大流量河道截流方案研究與實施

彭運河 徐盛劍 劉豫

（中國水利水電第八工程局有限公司）

關鍵詞：截流　大流量　高落差　尼羅河

1 工程概況

1.1 流域特點

受地殼板塊運動的影響，在非洲東部形成了地球上最大的裂谷——東非大裂谷。裂谷上湖泊眾多，其中就有維多利亞湖和基奧加湖。

維多利亞湖位于東非高原，大部分在坦桑尼亞和烏干達兩國境內，一小部分屬于肯尼亞。湖盆是由于地面凹陷而形成的，湖水面積69400km²，是非洲最大湖泊，也是僅次于北美蘇必利爾湖的世界第二大淡水湖。

東非高原眾多的河流都注入維多利亞湖，白尼羅河和青尼羅河是兩條重要的注入河流，而維多利亞湖的唯一出口是北部烏干達境內的金賈。從金賈起的尼羅河亦稱維多利亞尼羅河，因此，金賈被公認為尼羅河的源頭。1954年，烏干達在金賈興建了歐文瀑布水電站，電站的攔河壩將湖內水位抬高到1134m，進一步提高了維多利亞湖的蓄水能力，并使該湖成為大水庫。

尼羅河向北流經約130km后形成基奧加湖，湖面海拔1036m，湖區面積2590km²，湖區長129km，湖水出口位于西北方向。基奧加湖下游的尼羅河亦稱為基奧加尼羅河。

1.2 卡魯瑪水電站

卡魯瑪水電站位于基奧加尼羅河上，攔河壩距基奧加湖出口約125km。工程區域地勢平坦，但河道內有眾多斷層并形成了大量的瀑布和急流，同時該工程區域內是烏干達重要的國家野生動物園。

工程采取環境保護和資源合理利用的方式開發，在河道上建設攔河閘壩，基本不抬高河道水位，然后將部分河水引入地下管道，利用地下廠房發電，電能經輸電線路輸出而水流經管道排回原河床。

卡魯瑪水電站總裝機容量600MW，采用全埋式引水發電設計，攔河閘壩為徑流式，閘壩前正常蓄水位1030.00m。按中國水利行業標準《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017），該電站為Ⅱ等大（2）型工程。

2 基本資料

2.1 集水面積

卡魯瑪水電站攔河壩上游的集水面積為346000km²。但在1954年，烏干達在維多利亞湖出口金賈修建了歐文水電站，該水電站控制了264160km²的流域面積。

2.2 降雨

工程區域大部分地區是熱帶氣候，每年3—5月和9—11月為雨季，降雨的空間分布受維多利亞湖和當地地形的影響，平均年降雨量從900mm到2000mm不等。

2.3 徑流

尼羅河是一條國際河流，由于維多利亞湖的巨大蓄水能力和歐文水電站的控制能力，河水流量可以進行一定程度的控制。

從位于卡魯瑪壩址上游約8.3km的水文站獲取的資料可以分析得到，壩址處多年平均流量為 995m³/s，各月的多年月平均流量和5年一遇、10年一遇的月平均流量見表1。

2.4 地質

壩址區河谷開闊，斷面呈寬淺的U字形，河水位在1025m 時河谷寬約為240m，壩頂高程1032m 處的河谷寬為270m。河床地形有一定起伏，高程一般為1021~1023m。在大壩附近，特別是靠近左岸處，分布大片的基巖孤島，靠近右岸為河流沖刷形成的跌坎，水流湍急。由于壩軸線附近河水流速較大，河床覆蓋層厚度約為0.5~2m，其下為弱風化花崗片麻巖。

兩岸為平緩臺地，地表覆蓋層淺薄，多處基巖裸露。

2.5 閘壩及進水口布置

攔河壩主要由非溢流壩、泄水閘、沖沙底孔等組成，全長314.43m。壩頂高程1032.00m，頂寬6.00m，最大壩高14.00m。

主河床共布置11孔泄水閘和1孔排漂孔。泄水閘采用實用堰型設計，堰頂高程1022.00m，孔口尺寸為10.00m×8.00m；排漂孔堰頂高程1026.00m，孔口尺寸為12.00m×4.00m。

進水口采用岸塔式布置，位于左岸上游，與閘壩相鄰并呈111.7°夾角。進水口采用單機單洞布置，共設6個進水口單元，總寬度144m。

2.6 閘壩和進水口施工的導流方式

閘壩處河水常年流量大，水流湍急，同時兩岸基巖埋置較深和河床寬度有限，因此不適合采用隧洞或分期導流方式。

根據工程閘壩和進水口的布置方式，只能選擇在右岸開挖明渠進行導流，同時考慮到工程進度要求和河流的水流特征，選擇圍堰全年擋水方式施工。

3 原設計的截流方案

3.1 導流明渠的過水能力

導流明渠底寬40m，進口底板高程1021m，出口底板高程 1019m，長404.11m，縱坡為 0.50%。根據河床和河床的水位情況，為使水流順利進槽，在明渠進口布置喇叭口。喇叭口控制段全長142.60m，前沿控制高程為1025m，后面為1021m。根據工程設計提供的資料，明渠的泄流能力見表2。

3.2 截流時段和標準

截流計劃在6月中旬進行，根據中國電力行業標準《水電水利工程施工導流設計導則》（DL/T 5114—2000）的規定，截流標準可采用5～10年一遇的月或旬平均流量，因此選擇6月份5年一遇的月平均流量1480m³/s作為截流標準。

根據確定的截流標準，可以從表2中計算出圍堰前的上游水位為1028.89m。

3.3 河流的水位流量關系

設計提供的壩址處河流水位-流量關系見表3。

3.4 圍堰和龍口的布置

根據壩址處的地形和水流特點，截流選擇在上游圍堰處進行。

上游圍堰為土石圍堰，擋水標準為全年 25 年一遇洪水，洪峰流量為 2500m³/s。上游圍堰頂部高程為1032.50m，頂部寬度為 10.0m。

為便于河床水流順利進槽，龍口靠右岸布置，預留龍口寬度60m。根據截流標準，戧堤頂部高程確定為1029m；為保證3輛20t自卸汽車同時拋投，截流戧堤頂寬確定為15.0m。原設計圍堰和龍口的布置見圖1。

3.5 截流水力學參數

根據上文提供的明渠過流能力和河道的水位-流量關系，同時考慮截流河床的地形特點，可以計算得到龍口的水力學參數見表4。

3.6 截流難度分析

（1）龍口靠近深槽：從圖1中可以看出，龍口下游為深槽，對截流材料穩定不利。

（2）截流落差大：從表4可以發現，最大落差大于7.56m，高于三峽明渠的4.11m和溪洛渡的4.49m截流落差。與其截流流量與落差相近的中國項目是1958年截流的三門峽鬼門河，該工程的截流流量是960m³/s，落差為6～8m，該項目的截流方式為閘門。

（3）龍口的單寬功率大：從表4可以發現，龍口的單寬功率最大達114t·m/（s·m）。該單寬功率大于三峽明渠上戧的83.61t·m/（s·m），但小于溪洛渡的292.34t·m/（s·m）。

（4）難度分析：龍口的單寬功率被認定為衡量截流難度的唯一指標，因為其包含流速、水深和落差的綜合參數。根據本工程的龍口單寬功率判斷，原設計的截流方案需要高度重視、精心準備才有可能截流成功。

4 截流方案改進

由于原設計的截流方案落差大，單寬功率大，而被認為截流相當有難度。同時考慮在國外，項目很難專門為截流施工調動大量的設備，因此，技術人員對原截流方案進行研究，尋求改進措施。

經過對規范和現場的水文地質條件進行研究，提出以下改進措施。

4.1 截流標準的改進

根據《水電水利工程施工導流設計導則》（DL/T 5114—2000）的規定，截流標準可采用5年一遇、10年一遇的月或旬平均流量，也可用其他方法分析確定。

從表1中可以發現，壩址處河流的流量在年內非常均勻，這不但是由于尼羅河是國際河流的原因，同時，由于在維多利亞湖出口有已建的歐文大壩可以對維多利亞湖的出水進行控制，更由于維多利亞湖浩大的蓄水量，以及在維多利亞湖和壩址之間還有基奧加湖進行反調節。維多利亞湖的水面面積達69400km²，基奧加湖也達2590km²，即湖區水面上升1m，可調蓄的水量維多利亞湖為694億m³，基奧加湖為25.9億m³。而壩址處的河流徑流量為313.8億m³，因此僅1m的水量，維多利亞湖為多年調節水庫，而基奧加湖為月調節水庫。

基于以上分析，改進的截流標準為截流時段的月平均流量，即6月份的月平均流量1010m³/s，該標準的選擇滿足《水電水利工程施工導流設計導則》的要求。根據該截流標準，截流時上游圍堰前的最高水位為1027.28m，相當于截流合龍時的最高水位降低了1.60m。

4.2 圍堰和龍口的布置

從圖1中可以發現，原龍口靠近深槽，河床面較低，而導流明渠出口直接跨越壩址區進入下游水庫，因此在截流時，龍口下游的水位與龍口下游的河床高程及龍口的泄水量有關。

基于以上分析，如果將龍口布置在1025m高程線與左岸之間，一方面可以利用中間的小島作為截流戧堤的裹頭，同時還可以抬高約2m的龍口下游河床高程，進一步降低落差。經過分析，確定在不改原圍堰斷面設計的前提下對圍堰軸線和龍口位置進行修正（圖2）。

4.3 修正后的龍口水力學參數

根據明渠過流能力，但考慮河床的水位變化，計算得龍口的水力學參數，見表5。

4.4 修正方案的截流難度分析

（1）龍口遠離明渠進口：從圖2可以看出，龍口遠離明渠進口，水流進入明渠可能產生附加落差。

（2）截流落差減少：從表5可以發現，最大落差已經降至3.28m，雖仍大于3m，但已經遠低于三峽明渠和溪洛渡的截流落差。

（3）龍口的單寬功率減少：從表5可以發現，龍口的最大單寬功率已經降至20.26t·m/（s·m），遠低于三峽明渠和溪洛渡的龍口單寬功率。

（4）難度分析：從龍口的單寬功率可以判斷，修改的截流方案將是非常輕松和簡單的截流施工，但由于地質條件和流量的不確定性，仍需高度重視，精心準備才能使截流順利進行。

5 方案實施與偏差分析

卡魯瑪項目是EPC項目，合同中只規定了圍堰的擋水標準，對龍口的位置和布置均未作規定，鑒于建議方案有大大降低截流難度的優勢，因此選擇按建議方案實施。

2015年6月10日，截流準備就緒，開始進行截流施工。項目對龍口寬度和上下游水位以及龍口的表面流速進行了觀測，記錄見表6。

截流自下午2點開始，但在晚上8點遇暴雨，停工3h，在次日凌晨3點順利完成合龍，凈耗時10h。在截流施工中，沒有投入大型推土機和重型自卸汽車，只有1臺D80推土機和30輛20t的公路型自卸汽車。

對一個在單寬功率達100t·m/（s·m）的截流施工中，沒有投入大量的設備，也沒有拋入較大的石籠，并在推進的關鍵時期遇強降雨，只用10h就順利完成了截流，這主要取決于截流方案的修改。但從表6和表5的比較上看，實際截流與設計方案具有較大的差異。經過分析，這些差異主要是由以下幾個因素造成的：

（1）設計上并沒有注意到圖2中裹頭島1025m高程線向左岸突出部分的截流作用。

該突出部分實際為礁石，當龍口推進至礁石部位時，龍口泄流受阻，下游水位被壅高，龍口的凈落差減少。

（2）水流在進入明渠前在上游河道的1025m高程平臺形成了水躍。從實測的上游水位1028.86m與設計的1027.28m比較，相差1.60m，主要是消耗在水躍和明渠進口的跌水上。因此，明渠的過流能力計算有一定的誤差。

截流施工時，項目對未受截流壅水影響的河道水位進行連續觀測，發現原河道的水位沒有變化，維持在月平均流量水平。因此，選擇月平均流量作為截流標準是可行的。

6 經驗總結和建議

卡魯瑪項目截流雖然成功實現，但并不意味著原設計方案不可行。隨著現代機械化水平和截流技術的提高，再難的困難都可以戰勝，只是成本有一定的差別。卡魯瑪水電站是一個以地下洞室開挖和混凝土工程為主的項目，盡管承建單位在工程鄰近國家有大量的施工設備，但如果為截流這短短10h，跨區域和國別集結設備，成本還是難以接受的。經過對圍堰軸線的調整和龍口位置的優化，項目只用現有的設備完美地完成了這次挑戰。結合在國際工程中實施的截流施工經驗，總結以下幾點：

（1）規范必須嚴格執行，但正確理解規范至關重要。在本項目的截流標準選擇中，有關單位和機構并不同意采用月平均流量作為截流標準，但同意在上游有2個巨型水庫的情況下，選擇短系列的5年一遇的月平均流量1240m³/s作為截流標準以滿足規范要求。

（2）圍堰結構和戧堤選擇：在國際工程中，隨著水文地質的不同，圍堰和戧堤結構必須根據工程的實際情況選擇。在年降雨量達4500mm的馬來西亞沙撈越州，將土石圍堰修改成碾壓混凝土圍堰，并且要求在低高程施工碾壓混凝土時模板須采用帶錨筋的混凝土預制塊。同樣在沙撈越州，另一個超大型工程，因為沒有采用具有較強抗沖能力的碾壓混凝土圍堰，截流了23次，耗時13個月。

（3）圍堰和戧堤以及截流標準的選擇：自戧堤進占到合龍和形成圍堰，擋水的高程在不斷變化，這種變化是否滿足擋水要求，這就是標準選擇的問題。在制定截流方案時，往往只注重圍堰擋水標準和截流標準，而會忽略戧堤以及圍堰上升進度的要求。《水電水利工程施工導流設計導則》（DL/T 5114—2000）中4.0.13規定：“圍堰修筑期間各月的堆筑最低高程應以安全攔擋下月設計流量為準，計算各月設計流量的重現期標準可用圍堰正常運行時的標準，經過論證也可以適當降低。”將沙撈越州的土石圍堰修改成碾壓混凝土圍堰的原因就是因為圍堰上升的最低擋水標準無法滿足洪水高頻暴發的擋水要求，而另一個截流23次的工程項目，問題就出在圍堰上升的進度無法滿足擋水要求，造成離散性、抗沖刷能力差的堰體被水流沖刷。

（4）龍口的選擇：卡魯瑪項目壩址處無通航要求，因此有條件自由選擇龍口位置。當有通航要求時，必須精心布置，確保交通暢通。選擇淺灘截流可以降低龍口的單寬流量，減少龍口的單寬功率，將深河床的急流在低落差下完成。經過模型試驗，柬埔寨的桑河項目就論證了淺灘截流優勢。

（5）龍口的單寬功率：作為唯一一個核定截流難度的龍口水力學參數，它既包括了流速、也包括了落差，同時還包括了水深。單寬功率大，截流難度勢必大；單寬功率小，截流難度必然小。單一的落差或流速以及水深均不能反映截流真正的難度。

7 結論

有人形容東非大裂谷是“地球表皮上的一條大傷痕”，但東非大裂谷造就了眾多明珠，如維多利亞湖、基奧加湖以及卡魯瑪下游的艾伯特湖，豐沛的水量不但養育著文明，同時裂谷拉伸的瀑布蘊藏著豐富的能量。

卡魯瑪項目通過全地下結構進行開發，達到了人和動物的和平相處，實現了資源的合理利用，促進了人類文明的進步，有足夠的理由相信卡魯瑪的開發模式將不是唯一的。卡魯瑪水電站的尾水高程為960m，而下游艾伯特湖的水面高程為603m，尚有約360m的水能等待開發，特別是卡巴雷加瀑布就有122m的落差。

盡管卡魯瑪的截流方案在選擇和比較上經歷多番曲折，但截流輕松、快捷、經濟、順利地完成，這不但體現了研究人員對規范的理解，更體現了研究人員為項目獻計獻策的主人翁精神。