土石方与导截流工程
高落差大流量河道截流方案研究与实施
摘要：由于地壳板块的运动，在非洲大陆的东部形成了壮观的东非大裂谷。裂谷上湖泊众多，其中包括维多利亚湖。维多利亚湖水量充沛，唯一出口是北部的尼罗河。本文研究的截流方案针对的就是在尼罗河上的乌干达卡鲁玛水电站截流。该电站是通过输水管道集中尼罗河上众多瀑布的落差进行发电的水电工程，拦河坝就建在二道跌坎上。由于跌坎的存在和尼罗河丰沛的水量，使得工程需在大流量高落差条件下截流，如不进行精心策划，其截流将异常艰难。本文介绍了卡鲁玛项目截流方案的比选和实施情况，并进行了经验总结。
关键词：截流 大流量 高落差 尼罗河
1 工程概况
1.1 流域特点
受地壳板块运动的影响，在非洲东部形成了地球上最大的裂谷——东非大裂谷。裂谷上湖泊众多，其中就有维多利亚湖和基奥加湖。
维多利亚湖位于东非高原，大部分在坦桑尼亚和乌干达两国境内，一小部分属于肯尼亚。湖盆是由于地面凹陷而形成的，湖水面积69400km2，是非洲最大湖泊，也是仅次于北美苏必利尔湖的世界第二大淡水湖。
东非高原众多的河流都注入维多利亚湖，白尼罗河和青尼罗河是两条重要的注入河流，而维多利亚湖的唯一出口是北部乌干达境内的金贾。从金贾起的尼罗河亦称维多利亚尼罗河，因此，金贾被公认为尼罗河的源头。1954年，乌干达在金贾兴建了欧文瀑布水电站，电站的拦河坝将湖内水位抬高到1134m，进一步提高了维多利亚湖的蓄水能力，并使该湖成为大水库。
尼罗河向北流经约130km后形成基奥加湖，湖面海拔1036m，湖区面积2590km2，湖区长129km，湖水出口位于西北方向。基奥加湖下游的尼罗河亦称为基奥加尼罗河。
1.2 卡鲁玛水电站
卡鲁玛水电站位于基奥加尼罗河上，拦河坝距基奥加湖出口约125km。工程区域地势平坦，但河道内有众多断层并形成了大量的瀑布和急流，同时该工程区域内是乌干达重要的国家野生动物园。
工程采取环境保护和资源合理利用的方式开发，在河道上建设拦河闸坝，基本不抬高河道水位，然后将部分河水引入地下管道，利用地下厂房发电，电能经输电线路输出而水流经管道排回原河床。
卡鲁玛水电站总装机容量600MW，采用全埋式引水发电设计，拦河闸坝为径流式，闸坝前正常蓄水位1030.00m。按中国水利行业标准《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017），该电站为Ⅱ等大（2）型工程。
2 基本资料
2.1 集水面积
卡鲁玛水电站拦河坝上游的集水面积为346000km2。但在1954年，乌干达在维多利亚湖出口金贾修建了欧文水电站，该水电站控制了264160km2的流域面积。
2.2 降雨
工程区域大部分地区是热带气候，每年3—5月和9—11月为雨季，降雨的空间分布受维多利亚湖和当地地形的影响，平均年降雨量从900mm到2000mm不等。
2.3 径流
尼罗河是一条国际河流，由于维多利亚湖的巨大蓄水能力和欧文水电站的控制能力，河水流量可以进行一定程度的控制。
从位于卡鲁玛坝址上游约8.3km的水文站获取的资料可以分析得到，坝址处多年平均流量为 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见表1。
表1 坝址处月平均流量分析表 单位：m3/s
2.4 地质
坝址区河谷开阔，断面呈宽浅的U字形，河水位在1025m 时河谷宽约为240m，坝顶高程1032m 处的河谷宽为270m。河床地形有一定起伏，高程一般为1021~1023m。在大坝附近，特别是靠近左岸处，分布大片的基岩孤岛，靠近右岸为河流冲刷形成的跌坎，水流湍急。由于坝轴线附近河水流速较大，河床覆盖层厚度约为0.5~2m，其下为弱风化花岗片麻岩。
两岸为平缓台地，地表覆盖层浅薄，多处基岩裸露。
2.5 闸坝及进水口布置
拦河坝主要由非溢流坝、泄水闸、冲沙底孔等组成，全长314.43m。坝顶高程1032.00m，顶宽6.00m，最大坝高14.00m。
主河床共布置11孔泄水闸和1孔排漂孔。泄水闸采用实用堰型设计，堰顶高程1022.00m，孔口尺寸为10.00m×8.00m；排漂孔堰顶高程1026.00m，孔口尺寸为12.00m×4.00m。
进水口采用岸塔式布置，位于左岸上游，与闸坝相邻并呈111.7°夹角。进水口采用单机单洞布置，共设6个进水口单元，总宽度144m。
2.6 闸坝和进水口施工的导流方式
闸坝处河水常年流量大，水流湍急，同时两岸基岩埋置较深和河床宽度有限，因此不适合采用隧洞或分期导流方式。
根据工程闸坝和进水口的布置方式，只能选择在右岸开挖明渠进行导流，同时考虑到工程进度要求和河流的水流特征，选择围堰全年挡水方式施工。
3 原设计的截流方案
3.1 导流明渠的过水能力
导流明渠底宽40m，进口底板高程1021m，出口底板高程 1019m，长404.11m，纵坡为 0.50%。根据河床和河床的水位情况，为使水流顺利进槽，在明渠进口布置喇叭口。喇叭口控制段全长142.60m，前沿控制高程为1025m，后面为1021m。根据工程设计提供的资料，明渠的泄流能力见表2。
表2 导流明渠设计泄流能力表
3.2 截流时段和标准
截流计划在6月中旬进行，根据中国电力行业标准《水电水利工程施工导流设计导则》（DL/T 5114—2000）的规定，截流标准可采用5～10年一遇的月或旬平均流量，因此选择6月份5年一遇的月平均流量1480m3/s作为截流标准。
根据确定的截流标准，可以从表2中计算出围堰前的上游水位为1028.89m。
3.3 河流的水位流量关系
设计提供的坝址处河流水位-流量关系见表3。
表3 坝址处河流水位-流量关系
3.4 围堰和龙口的布置
根据坝址处的地形和水流特点，截流选择在上游围堰处进行。
上游围堰为土石围堰，挡水标准为全年 25 年一遇洪水，洪峰流量为 2500m3/s。上游围堰顶部高程为1032.50m，顶部宽度为 10.0m。
为便于河床水流顺利进槽，龙口靠右岸布置，预留龙口宽度60m。根据截流标准，戗堤顶部高程确定为1029m；为保证3辆20t自卸汽车同时抛投，截流戗堤顶宽确定为15.0m。原设计围堰和龙口的布置见图1。
图1 原设计围堰和龙口布置图（单位：m）
3.5 截流水力学参数
根据上文提供的明渠过流能力和河道的水位-流量关系，同时考虑截流河床的地形特点，可以计算得到龙口的水力学参数见表4。
表4 原设计围堰和龙口布置下的截流水力参数表
3.6 截流难度分析
（1）龙口靠近深槽：从图1中可以看出，龙口下游为深槽，对截流材料稳定不利。
（2）截流落差大：从表4可以发现，最大落差大于7.56m，高于三峡明渠的4.11m和溪洛渡的4.49m截流落差。与其截流流量与落差相近的中国项目是1958年截流的三门峡鬼门河，该工程的截流流量是960m3/s，落差为6～8m，该项目的截流方式为闸门。
（3）龙口的单宽功率大：从表4可以发现，龙口的单宽功率最大达114t·m/（s·m）。该单宽功率大于三峡明渠上戗的83.61t·m/（s·m），但小于溪洛渡的292.34t·m/（s·m）。
（4）难度分析：龙口的单宽功率被认定为衡量截流难度的唯一指标，因为其包含流速、水深和落差的综合参数。根据本工程的龙口单宽功率判断，原设计的截流方案需要高度重视、精心准备才有可能截流成功。
4 截流方案改进
由于原设计的截流方案落差大，单宽功率大，而被认为截流相当有难度。同时考虑在国外，项目很难专门为截流施工调动大量的设备，因此，技术人员对原截流方案进行研究，寻求改进措施。
经过对规范和现场的水文地质条件进行研究，提出以下改进措施。
4.1 截流标准的改进
根据《水电水利工程施工导流设计导则》（DL/T 5114—2000）的规定，截流标准可采用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确定。
从表1中可以发现，坝址处河流的流量在年内非常均匀，这不但是由于尼罗河是国际河流的原因，同时，由于在维多利亚湖出口有已建的欧文大坝可以对维多利亚湖的出水进行控制，更由于维多利亚湖浩大的蓄水量，以及在维多利亚湖和坝址之间还有基奥加湖进行反调节。维多利亚湖的水面面积达69400km2，基奥加湖也达2590km2，即湖区水面上升1m，可调蓄的水量维多利亚湖为694亿m3，基奥加湖为25.9亿m3。而坝址处的河流径流量为313.8亿m3，因此仅1m的水量，维多利亚湖为多年调节水库，而基奥加湖为月调节水库。
基于以上分析，改进的截流标准为截流时段的月平均流量，即6月份的月平均流量1010m3/s，该标准的选择满足《水电水利工程施工导流设计导则》的要求。根据该截流标准，截流时上游围堰前的最高水位为1027.28m，相当于截流合龙时的最高水位降低了1.60m。
4.2 围堰和龙口的布置
从图1中可以发现，原龙口靠近深槽，河床面较低，而导流明渠出口直接跨越坝址区进入下游水库，因此在截流时，龙口下游的水位与龙口下游的河床高程及龙口的泄水量有关。
基于以上分析，如果将龙口布置在1025m高程线与左岸之间，一方面可以利用中间的小岛作为截流戗堤的裹头，同时还可以抬高约2m的龙口下游河床高程，进一步降低落差。经过分析，确定在不改原围堰断面设计的前提下对围堰轴线和龙口位置进行修正（图2）。
4.3 修正后的龙口水力学参数
根据明渠过流能力，但考虑河床的水位变化，计算得龙口的水力学参数，见表5。
图2 修正后的围堰和龙口布置图（单位：m）
表5 修正后龙口的截流水力参数表
4.4 修正方案的截流难度分析
（1）龙口远离明渠进口：从图2可以看出，龙口远离明渠进口，水流进入明渠可能产生附加落差。
（2）截流落差减少：从表5可以发现，最大落差已经降至3.28m，虽仍大于3m，但已经远低于三峡明渠和溪洛渡的截流落差。
（3）龙口的单宽功率减少：从表5可以发现，龙口的最大单宽功率已经降至20.26t·m/（s·m），远低于三峡明渠和溪洛渡的龙口单宽功率。
（4）难度分析：从龙口的单宽功率可以判断，修改的截流方案将是非常轻松和简单的截流施工，但由于地质条件和流量的不确定性，仍需高度重视，精心准备才能使截流顺利进行。
5 方案实施与偏差分析
卡鲁玛项目是EPC项目，合同中只规定了围堰的挡水标准，对龙口的位置和布置均未作规定，鉴于建议方案有大大降低截流难度的优势，因此选择按建议方案实施。
2015年6月10日，截流准备就绪，开始进行截流施工。项目对龙口宽度和上下游水位以及龙口的表面流速进行了观测，记录见表6。
表6 截流施工时龙口观测及分析资料表
截流自下午2点开始，但在晚上8点遇暴雨，停工3h，在次日凌晨3点顺利完成合龙，净耗时10h。在截流施工中，没有投入大型推土机和重型自卸汽车，只有1台D80推土机和30辆20t的公路型自卸汽车。
对一个在单宽功率达100t·m/（s·m）的截流施工中，没有投入大量的设备，也没有抛入较大的石笼，并在推进的关键时期遇强降雨，只用10h就顺利完成了截流，这主要取决于截流方案的修改。但从表6和表5的比较上看，实际截流与设计方案具有较大的差异。经过分析，这些差异主要是由以下几个因素造成的：
（1）设计上并没有注意到图2中裹头岛1025m高程线向左岸突出部分的截流作用。
该突出部分实际为礁石，当龙口推进至礁石部位时，龙口泄流受阻，下游水位被壅高，龙口的净落差减少。
（2）水流在进入明渠前在上游河道的1025m高程平台形成了水跃。从实测的上游水位1028.86m与设计的1027.28m比较，相差1.60m，主要是消耗在水跃和明渠进口的跌水上。因此，明渠的过流能力计算有一定的误差。
截流施工时，项目对未受截流壅水影响的河道水位进行连续观测，发现原河道的水位没有变化，维持在月平均流量水平。因此，选择月平均流量作为截流标准是可行的。
6 经验总结和建议
卡鲁玛项目截流虽然成功实现，但并不意味着原设计方案不可行。随着现代机械化水平和截流技术的提高，再难的困难都可以战胜，只是成本有一定的差别。卡鲁玛水电站是一个以地下洞室开挖和混凝土工程为主的项目，尽管承建单位在工程邻近国家有大量的施工设备，但如果为截流这短短10h，跨区域和国别集结设备，成本还是难以接受的。经过对围堰轴线的调整和龙口位置的优化，项目只用现有的设备完美地完成了这次挑战。结合在国际工程中实施的截流施工经验，总结以下几点：
（1）规范必须严格执行，但正确理解规范至关重要。在本项目的截流标准选择中，有关单位和机构并不同意采用月平均流量作为截流标准，但同意在上游有2个巨型水库的情况下，选择短系列的5年一遇的月平均流量1240m3/s作为截流标准以满足规范要求。
（2）围堰结构和戗堤选择：在国际工程中，随着水文地质的不同，围堰和戗堤结构必须根据工程的实际情况选择。在年降雨量达4500mm的马来西亚沙捞越州，将土石围堰修改成碾压混凝土围堰，并且要求在低高程施工碾压混凝土时模板须采用带锚筋的混凝土预制块。同样在沙捞越州，另一个超大型工程，因为没有采用具有较强抗冲能力的碾压混凝土围堰，截流了23次，耗时13个月。
（3）围堰和戗堤以及截流标准的选择：自戗堤进占到合龙和形成围堰，挡水的高程在不断变化，这种变化是否满足挡水要求，这就是标准选择的问题。在制定截流方案时，往往只注重围堰挡水标准和截流标准，而会忽略戗堤以及围堰上升进度的要求。《水电水利工程施工导流设计导则》（DL/T 5114—2000）中4.0.13规定：“围堰修筑期间各月的堆筑最低高程应以安全拦挡下月设计流量为准，计算各月设计流量的重现期标准可用围堰正常运行时的标准，经过论证也可以适当降低。”将沙捞越州的土石围堰修改成碾压混凝土围堰的原因就是因为围堰上升的最低挡水标准无法满足洪水高频暴发的挡水要求，而另一个截流23次的工程项目，问题就出在围堰上升的进度无法满足挡水要求，造成离散性、抗冲刷能力差的堰体被水流冲刷。
（4）龙口的选择：卡鲁玛项目坝址处无通航要求，因此有条件自由选择龙口位置。当有通航要求时，必须精心布置，确保交通畅通。选择浅滩截流可以降低龙口的单宽流量，减少龙口的单宽功率，将深河床的急流在低落差下完成。经过模型试验，柬埔寨的桑河项目就论证了浅滩截流优势。
（5）龙口的单宽功率：作为唯一一个核定截流难度的龙口水力学参数，它既包括了流速、也包括了落差，同时还包括了水深。单宽功率大，截流难度势必大；单宽功率小，截流难度必然小。单一的落差或流速以及水深均不能反映截流真正的难度。
7 结论
有人形容东非大裂谷是“地球表皮上的一条大伤痕”，但东非大裂谷造就了众多明珠，如维多利亚湖、基奥加湖以及卡鲁玛下游的艾伯特湖，丰沛的水量不但养育着文明，同时裂谷拉伸的瀑布蕴藏着丰富的能量。
卡鲁玛项目通过全地下结构进行开发，达到了人和动物的和平相处，实现了资源的合理利用，促进了人类文明的进步，有足够的理由相信卡鲁玛的开发模式将不是唯一的。卡鲁玛水电站的尾水高程为960m，而下游艾伯特湖的水面高程为603m，尚有约360m的水能等待开发，特别是卡巴雷加瀑布就有122m的落差。
尽管卡鲁玛的截流方案在选择和比较上经历多番曲折，但截流轻松、快捷、经济、顺利地完成，这不但体现了研究人员对规范的理解，更体现了研究人员为项目献计献策的主人翁精神。