迪克戈洪大坝施工导流与填筑分区规划

1、迪克戈洪大坝施工导流与填筑分区规划刘沐 张晓廷 陈洪文摘 要 迪克戈洪(Dikgatlhong)大坝位于南部非洲博茨瓦纳国东北部，是该国北水南调的水源工程和迄今为止最大的水利工程，大坝坐落在南部非洲最大的国际河流Shashe河上，大坝设计为粘土心墙堆石坝，坝高41m，坝顶长4.6km，施工期雨季导流按百年一遇3400m3/s设防。本文就施工导流与大坝填筑分区设计进行简要介绍，旨在为类似的高洪峰流量季节性河流的施工导流和大坝填筑规划提供参考。关键词 迪克戈洪大坝； 施工导流；填筑分区；规划1 工程概况迪克戈洪大坝位于南部非洲博茨瓦纳国东北部，该国和津巴布韦的界河Ramokgwebana河与Sha

2、she河交汇处上游3公里处的Shashe河上，距首都哈博罗内450km，距第二大城市弗朗西斯敦65km。矿业重镇皮奎位于本项目进场道路起点西南约20km。迪克戈洪大坝为粘土心墙堆石坝，设计坝高41m，坝顶长4.6km，大坝填筑总量为387万m3，设计库容4亿m3。主溢洪道宽200m，为开敞式混凝土衬砌溢洪道，非常溢洪道宽1000m，为非衬砌开敞式结构。大坝泄水管为直径3m的钢管，出口由蝶阀和锥阀控制。50.95m高的进水塔为筒形结构，5个进水口按圆心角60、高差5m环形进行排列。进水塔与坝顶道路间的交通被设计为一单跨55.18m的三角形绗架钢结构桥。作为配套工程的43km级配碎石公路将大坝与现

3、有公共路网相连。本项目为单价合同，中标额14.63亿人民币。合同工期为1428天，工程于2008年3月9日正式开工， 2011年10月1日前蓄水，2012年2月8日完工。图1 迪克戈洪大坝典型断面图2 工程气象与水文工程所在区为低山丘陵，地势起伏不大。属热带干旱草原气候，大坝控制流域面积7810km2，海拔高度在842m1200m之间，年均降雨量为460.9mm，年蒸发量2040mm。年平均气温20，冬季温暖，夏季燥热。一年分旱、雨两季，11月至次年4月为雨季，5月至10月为旱季。统计年份极端最低气温6.5，极端最高气温40.6。Shashe河多年平均径流量1.18亿m3，自1922年有记录以

4、来，最大洪峰流量为2130m3/s，工程设计标准为万年一遇，对应洪峰流量为11220m3/s。旱季河道通常处于干涸状态，仅有微小的流量在河床的沙层内流动，其中每年4月和10月份降雨的概率为91%。5月至9月大于1m3/s的流量概率为1%，流量大于20m3/s的概率为零。24小时最大降雨117mm，48小时最大降雨187mm，72小时最大降雨194mm。3 施工导流3.1 导流标准根据合同要求，施工期旱季导流按20m3/s进行设计，雨季导流按100年一遇3400m3/s标准设防。3.2 导流条件根据工程设计资料，该大坝在施工期导流需综合考虑如下因素：3.2.1 有利因素(1)全年旱、雨季分期比较

5、明显，有利于防汛安排和大坝填筑组织；(2)旱季导流流量小，一般不超过20m3/s，易于控制；(3)右岸永久构筑物的3m直径泄水管满足旱季导流需求；(4)Shashe河河床面宽120m，两岸坝肩坡度较为平缓，有利于提前安排坝体填筑；(5)大坝左岸CH1+700CH1+900有一天然垭口，有利于导流明渠布置。3.2.2 不利因素(1)雨季导流流量较大，达到3400m3/s；(2)由于旱季、雨季的流量相差悬殊，旱季导流存在一定风险，尤其是旱季初期和末期。3.2.3 兼顾因素(1)坝顶长度虽达到4600m，但主要填筑工程量仍集中于河床段，导流明渠宽度设计需兼顾大坝填筑强度；(2)大坝填筑分区搭接边坡不

6、得陡于1:4，坝体导流明渠边坡设计时需统筹考虑；(3)右岸进水塔交通桥桥台CH2+860所在的坝段必须于2010年7月底填筑至坝顶高程，为进水塔交通桥大坝一侧的桥台混凝土及交通桥安装施工提供条件；这就要求河床导流明渠位置及宽度设计需兼顾坝顶交通桥桥台所在位置；(4)由于当地条件和进场准备工作量大，主体工程在开工前半年通常无法全面展开。3.3 导流方案根据现场实地踏勘，左岸天然垭口在坝轴线处地表高程为EL860，垭口坝后地形为自然冲沟，纵坡为1.2%，并在坝后800m处重新汇入Shashe河，该处适宜布置二期导流明渠。综合上述条件，确定分期导流方案如下：3.3.1 旱季导流维持咨询工程师原设计方

7、案不变，利用右岸3m直径泄水管导流，泄水管进口底部高程为EL842.6，对应上下游围堰顶部高程分别为EL846和EL84。3.3.2 雨季导流采用导流明渠方案，一期在河床坝段左侧预留120m宽缺口导流；二期利用左岸CH1+740CH1+860垭口坝段导流；期间右岸导流泄水管也保持开敞状态，用于小流量导流和放空库区滞留洪水。3.4 导流时段旱季导流：5月1日至10月31日雨季导流：11月1日至次年4月30日表1 迪克戈洪大坝导流分期与时段计划表序号导流季节导流时段导流通道备注1第一旱季2008.5.12008.10.31Shashe河工程实施第一年，期间进行工程临建、坝基开挖、基础处理及右岸导流

8、构筑物施工。期末导流构筑物施工结束，具备旱季导流条件2第一雨季2008.11.12009.4.303第二旱季2009.5.12009.10.31右岸泄水管期间进行基坑开挖、基础处理施工，并将基坑导流坝段填筑至原河床EL842高程，河床两侧非导流坝段上升至EL851度汛高程4第二雨季2009.11.12010.4.30河床坝段导流明渠期间填筑河床右岸坝段，期末右岸进水塔交通桥桥台所在D区达到桥台基础EL876.1高程5第三旱季2010.5.12010.10.31右岸泄水管期间恢复河床坝段填筑，并在期末达到度汛高程EL869，右岸达到坝顶高程6第三雨季2010.11.12011.4.30左岸二期导

9、流明渠和右岸泄水管期间二期导流明渠右侧和溢洪道左侧坝段继续填筑，期末均达到坝顶EL883高程7第四旱季2011.5.12011.9.30右岸泄水管期间进行二期导流明渠坝段及溢洪道右侧用作交通道路的B区的剩余坝体填筑，期末均达到坝顶高程，大坝填筑结束，下闸蓄水3.5 导流明渠设计根据现场实地踏勘，并参照Shashe河水文资料，Shashe河坝址附近河段平均纵坡为1.5，过流断面平均底宽120m，河底和两岸冲刷轻微，河道边坡糙率统计数值为0.033。为减少雨季泄洪对河床导流坝段及两侧边坡的冲刷，导流明渠设计时参考上述统计资料所得的数值，导流明渠断面设计为梯形，选定渠底纵坡为1.5，两侧边坡坡比按规

10、范要求的大坝填筑搭接最大允许坡比1:4选定，渠底宽等同于Shashe河原河道有效过流宽度120m，边坡糙率按砌石护坡考虑，取0.035。坝址区上下游1.2km内河道较为平顺，根据明渠均匀流公式Q=AC(Ri)0.5迭代计算导流所需最大水深h=6.66m，综合考虑波浪爬高及安全超高后，选取明渠安全深度为9m，即雨季导流时，导流明渠两侧坝段填筑高程高于导流明渠渠底至少9m。导流坝段的防护，用于一期导流的河床坝段在旱季填筑至EL841.5m时对坝体内的反滤料区域使用土工布覆盖，而后再填筑0.5m厚坝壳料压实后与Shashe河原河床面平齐，明渠两侧已填筑坝段边坡使用干砌石防护，防护高度8m。二期导流明

11、渠运行前，该坝段仅心墙齿槽区进行了回填，填筑顶面高程控制在EL860，防护方法同河床一期导流坝段。导流明渠平面布置图参见图2。图2 迪克戈洪大坝导流明渠平面布置图3.6 施工围堰设计根据合同图纸，泄水管作为旱季施工导流，泄水管直径3m，其进口底部高程为EL842.6，基坑上游围堰顶部高程设计为EL846，下游围堰设计为EL844。考虑到河床上下游围堰兼作施工道路，设计顶宽为12m，上下游坡比为1:2。根据勘测资料，Shashe河床覆盖层厚度介于2.1m4.3m，覆盖层河砂细度模数自上而下递增，并间有淤泥沉积。覆盖层下部强风化花岗岩层厚度1.24m不等。施工时使用砾石材料2次换填，逐级替换掉透水

12、性大、自然稳定坡度小的河砂覆盖层，最后在换填后的围堰中部开槽填筑1.52m宽的粘土心墙截渗，详见图3。图3 施工围堰典型断面图4 坝体填筑规划根据大坝填筑总量和有效填筑工期，按均衡施工原则，综合考虑雨季影响系数，确定合适的高峰和最低月填筑强度。根据坝体结构特点和导流构筑物位置，将大坝划分合适的区段，填筑除沿坝轴线方向分段外，还需根据度汛节点目标对同一坝段按高程进行分区。分区高程的选取，以满足最低度汛高程为原则，统筹兼顾均衡施工要求。在综合考虑总进度计划节点和施工导流各要素条件下，对大坝的各填筑区设计填筑顺序。最后编制分区填筑流程图和绘制填筑强度曲线，详见图4。4.1 坝体填筑分区迪克戈洪大坝设

13、计坝顶长4600m，根据坝体结构特点和分期导流方案，坝体沿坝轴线方向被划分为6个坝段。其中河床坝段，根据分期导流需要，在高程方向再被划分为3个区，通过两个旱季和一个雨季完成填筑，这样坝体填筑共划分为8个区，并按施工顺序被编号为A至H区。各区施工参数见表2。表2 迪克戈洪大坝坝体填筑分区及施工进度计划表分区编号填筑工程量（万m3）工期（月）施工时间备注A62102008-10-012009-07-31河床左岸坝段B2662009-05-012009-10-31二期导流明渠左侧坝段C3032009-08-012009-10-31河床基坑填筑区D7592009-11-012010-07-31河床右侧

14、坝段E9162010-05-012010-10-31河床一期导流坝段F5162010-11-012011-04-30两期导流明渠中间坝段G442011-01-012011-04-30溢洪道左侧坝段H4852011-05-012011-09-30左岸垭口二期导流坝段图4 迪克戈洪大坝施工导流与填筑分区布置图大坝分区时，区间搭接边坡不陡于1:4，除C/D区为满足进水塔交通桥桥台（桩号CH2+860）施工需要，而严格按1:4控制分区边坡外，其它各区边坡在施工时可适当放缓，或在坝肩区填筑时预留区间交通道路。作为先行施工的A、B区顶部高程满足EL869二期导流需要即可，施工过程中如进度超前，也不宜继续升

15、高，以控制其与相邻填筑区之间的高差，便于施工道路布置。参见图4。4.2 高峰期施工强度迪克戈洪大坝总填筑量为387万m3，工程开工日期为2008年3月9日，临建工程需要6个月，坝基和心墙齿槽开挖在开工后3个月可以全面展开，A区心墙齿槽盖重混凝土和灌浆施工在2008年9月结束，因此大坝正式填筑被安排在2008年10月初，至2011年10月1日下闸蓄水，大坝填筑历时36个月。大坝理论月平均填筑强度为q=Q/t=387万m336个月=10.75万m3/月。考虑到大坝填筑开始阶段处于雨季，后期收尾阶段施工强度不高，给予第1雨季和第4旱季填筑月平均强度修正系数0.5，修正后正常年度月平均填筑强度为q1=

16、Q/t1=387万m3120.5+(36-12)1=12.9万m3/月。旱季高峰期和雨季低谷期月填筑强度比值（即填筑不均衡系数）的确定：本项目影响大坝填筑不均衡的因素主要是雨季降雨和大坝结构断面，其中大坝结构断面特点决定在填筑初期（心墙齿槽区断面窄长）和末期（坝顶区断面窄长）受工作面窄长和交通限制，无法组织大规模的施工，填筑强度会受到影响。但这些因素可通过不同填筑高程的分区施工顺序调整进行修正。因此，对于本项目施工不均衡系数的决定因素仍为雨季的降雨。根据水文气象资料，迪克戈洪大坝所在地区，年平均降雨量为460.9mm，且多集中在每年的11月份至次年的4月份。其中降雨最集中的1和2月份，日降雨量

17、超过10mm的天数约为8天，剔除降雨及其后土壤含水率过大需要的晾晒天数，雨季平均月施工有效天数约为10天，即:雨季月施工效率系数=10天26天=0.385根据上述参数，计算月填筑强度不均衡系数=1：0.385=2.6，高峰期月施工强度q2=2q11/(1+)=212.91(1+0.385)=18.6万m3。根据二期导流需要，河床坝段E区的91万m3，必须在6个月内完成，月平均施工强度为91万m36个月15.2万m3。综上，高峰期月填筑强度按18万m3考虑较为合理，对应低谷月填筑强度为7万m3。4.3 填筑顺序综合考虑大坝各区填筑的约束条件，河床左岸坝段A最先具备条件，兼顾均衡施工原则，在第2旱季开始填筑河床基坑C区前，二期导流明渠左侧B区也可以填筑。第2旱季结束后，对河床右岸D区进行填筑，在2010年7月末完成填筑，为进水塔交通桥桥台和交通桥金结安装提供条件；2010年旱季，施工重点为河床段E区，在旱季末达到EL869度汛高程；在进入2010年雨季后，继续河床坝段剩余工程（F区）和溢洪道左侧G区施工，在该雨季末期F/G区均达到坝顶EL883高程；2011旱季完成大坝剩余的H区填筑，至期末大坝全部填筑施工完成，2011年10月1日按合同要求正式下闸蓄水。大坝填筑施工顺序从A至H区，详见图4。4.4 施工流水根据大坝结