清遠(yuǎn)市某水利樞紐工程截流施工技術(shù)分析

李 剛

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概況

某水利樞紐工程位于廣東省清遠(yuǎn)市境內(nèi)，所在流域?yàn)楸苯闪?，工程主要包括非溢流擋水壩、溢流壩、副壩及船閘、廠房等水工建筑物，是一座以發(fā)電為主，兼具灌溉、城鎮(zhèn)供水、航運(yùn)等功能的水利水電工程。壩址控制流域面積24.32萬(wàn)km2，洪峰流量較大，且歷時(shí)長(zhǎng)，枯水期從11月開(kāi)始，4月底開(kāi)始進(jìn)入洪水期，且最大洪水流量一般出現(xiàn)在7～8月。工程壩址區(qū)地質(zhì)類型主要為第四系地層，包括人工堆積層、沖積層和殘積層，下伏燕山早期侵入巖基及花崗巖侵入體基巖。

工程施工導(dǎo)流分兩期進(jìn)行，第一期利用左側(cè)河床起訖樁號(hào)K0+574.5—K1+298.3段導(dǎo)流，進(jìn)行右岸非溢流壩段及14孔溢流壩的圍堵施工；第二期則主要進(jìn)行起訖樁號(hào)K0+685.5—K1+230河床段壩體工程施工。該水利樞紐工程截流有明顯特點(diǎn)：一是左岸場(chǎng)地狹窄，截流河床段寬度較??；二是截流建筑物之間互相影響互相制約，如圍堰上游坡腳伸入導(dǎo)流洞，同時(shí)下游坡腳與基坑開(kāi)口線距離過(guò)小，戧堤左岸和導(dǎo)流洞連接后，增加了施工抽排水困難和混凝土澆筑難度。

2 截流施工設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有施工條件，該水利樞紐工程左岸存在長(zhǎng)2.0km、寬1.0km、高程18.0m的高漫灘地，可用于截流施工材料的堆放；壩址上游3.1km處的塘石場(chǎng)和下游3.8km處的土料場(chǎng)料源充足且場(chǎng)地開(kāi)闊，適合本樞紐工程機(jī)械化截流施工。樞紐工程右岸縱向圍堰和泄洪洞導(dǎo)墻構(gòu)成的場(chǎng)地較為狹小，施工干擾大，難以展開(kāi)機(jī)械化施工，為此，本樞紐工程截流布置應(yīng)充分考慮現(xiàn)有地形，以左岸為主，右岸為輔。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)中所確定的該樞紐工程2019年5月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的要求，確定截流時(shí)間，截流流量按照50年的平均流量確定。

根據(jù)截流條件，本樞紐工程在河床靠左岸設(shè)置截流龍口，龍口實(shí)際寬度110m，與左岸縱向圍堰和右岸的距離分別為58m和152m，雙向進(jìn)占施工。結(jié)合口門(mén)分流量等水力學(xué)參數(shù)，將龍口段進(jìn)占施工劃分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)三個(gè)區(qū)域，根據(jù)水工模型試驗(yàn)確定的樞紐工程截流戧堤分區(qū)，進(jìn)占施工參數(shù)詳見(jiàn)表1。

截流戧堤全長(zhǎng)321m，左側(cè)與高程13.4m縱向圍堰的防沖堆石體相接，右側(cè)與實(shí)際高程14.6m的灘地相連，戧堤斷面為梯形設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，戧堤能夠抵御汛期2年一遇設(shè)計(jì)洪水，進(jìn)占向邊坡設(shè)計(jì)坡度1∶1.2，邊坡穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。

結(jié)合截流水力條件設(shè)計(jì)中對(duì)拋投料穩(wěn)定性的要求，及可能的料石來(lái)源渠道，本樞紐工程采取鋼筋石籠與塊石拋投相結(jié)合的拋填方式[1]，左右岸拋填材料粒徑及用量具體見(jiàn)表1。拋投強(qiáng)度必須符合戧堤寬度、車輛運(yùn)輸供料能力及進(jìn)占方式，為提升拋填效率，本工程應(yīng)采用斗容量及載重量較大的推土機(jī)和自卸車，并在堤頭準(zhǔn)備起吊設(shè)備和大馬力推土機(jī)輔助鋼筋石籠和大粒徑塊石料的拋填。戧堤進(jìn)占拋填施工所使用機(jī)械設(shè)備詳見(jiàn)表2。

3 截流施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工準(zhǔn)備

在施工準(zhǔn)備階段，嚴(yán)格按照表1所列拋填石料粒徑及使用量進(jìn)行截流施工備料，并將粒徑＞0.9m的特大石、粒徑0.9～0.5m的大石、粒徑0.5～0.3m的中石、粒徑＜0.3m的石渣及鋼筋石籠分開(kāi)堆放。與此同時(shí)還應(yīng)按照表2進(jìn)行施工機(jī)械設(shè)備的安排及性能檢驗(yàn)，保證各類機(jī)械設(shè)備性能處于最佳狀態(tài)。

表1 樞紐工程截流戧堤進(jìn)占施水力學(xué)參數(shù)

表2 戧堤進(jìn)占拋填施工機(jī)械設(shè)備

為保證施工機(jī)械順利進(jìn)場(chǎng)及拋填料運(yùn)輸供應(yīng)，還應(yīng)進(jìn)行壩址和備料場(chǎng)之間截流施工道路的修筑，并確保臨時(shí)施工道路中干道、支道寬度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能滿足載重施工機(jī)械運(yùn)行的要求。

3.2 截流施工

3.2.1 預(yù)進(jìn)占

通過(guò)3～5m3的裝載機(jī)、自卸車臨時(shí)堆料，并沿著大壩右岸公路運(yùn)輸至石渣上游圍堰處卸料，按照0.5m的厚度堆鋪料，再由裝載機(jī)負(fù)重碾壓3遍。考慮到戧堤滲流量的控制，本工程主要使用粗粒土和石渣的混合料為碾壓料。

3.2.2 截流施工步驟

按照戧堤壩進(jìn)占的設(shè)計(jì)，將龍口劃分為兩階段施工：先進(jìn)行戧堤壩，進(jìn)占至坡腳接角龍口對(duì)岸，并形成三角形斷面，這一階段河床水流流速較小，所以拋投料選擇一般性石渣，并以上游邊線外拋投為主，大料拋投于上游側(cè)，使水流和戧堤壩分離，并確保大料穩(wěn)定置放在上游坡角，其余部分則按照所設(shè)計(jì)的一般投料順序進(jìn)占。

完成上述過(guò)程后，戧堤壩坡腳與龍口對(duì)岸三角形斷面已較為接近，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)占施工，直至合龍。因流速此時(shí)達(dá)到最大，截流存在較大難度，為防止拋投料受水流沖刷后大量流失，應(yīng)選擇大塊石、鉛絲石籠及串石等重物為拋投料，并以上角和下游突出位置為重點(diǎn)拋投施工區(qū)域，先拋投大料，使水流出現(xiàn)分離趨勢(shì)，初步形成戧堤后，再迅速在下游側(cè)拋投大料，分擔(dān)上下游落差，再迅速在中間拋投一般性石渣，按照這個(gè)過(guò)程循環(huán)交替拋投，以保證有效進(jìn)占。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)階段處理后上游水位壅高增大，流速減小，拋投強(qiáng)度大，合龍速度快。

3.2.3 截流施工過(guò)程

按照設(shè)計(jì)要求的順?biāo)飨蜷L(zhǎng)60m、垂直水流向長(zhǎng)120m的龍口段護(hù)底尺寸，進(jìn)行龍口中心線布置，并于2019年5月完成龍口段護(hù)底施工，對(duì)戧堤底部地形實(shí)際量測(cè)結(jié)果顯示，已經(jīng)護(hù)底處理的龍口段右側(cè)存在較為嚴(yán)重的沖刷。出于控制拋填強(qiáng)度和改善河床水流流態(tài)考慮，將護(hù)底范圍順?biāo)鞣较蜓娱L(zhǎng)50m，垂直水流方向延長(zhǎng)60m。

為加快拋填進(jìn)占施工進(jìn)度，在形成龍口后還在左岸下游龍口處增設(shè)長(zhǎng)度和寬度分別為20m和10m的回車場(chǎng)，為拋填料運(yùn)輸車輛掉頭及退行卸料提供方便。龍口施工開(kāi)始后，沿左右兩岸同時(shí)進(jìn)占拋填，待施工至流速最大段時(shí)，左岸戧堤端頭上游發(fā)生坍塌，及時(shí)進(jìn)行特大石塊拋投和混凝土四面體護(hù)腳施工，戧堤基本穩(wěn)定。此后隨著溢流壩分流量的逐漸增大，龍口流速不斷下降，最終形成水下堰體，戧堤基本穩(wěn)定，截流順利結(jié)束。

3.3 深水截流施工安全問(wèn)題

本樞紐截流施工水深為10.8～32.6m，水深較大的區(qū)域截流施工難度大，在初設(shè)及可行性研究階段，已經(jīng)明確提出通過(guò)單戧雙向立堵的方案[2]進(jìn)行拋投進(jìn)占截流，拋填進(jìn)占施工中的安全問(wèn)題必須引起設(shè)計(jì)及施工人員足夠的重視。

在設(shè)計(jì)階段，圍繞深水拋填進(jìn)占施工安全問(wèn)題，展開(kāi)比尺1∶80截流及比尺1∶40堤頭水工模型試驗(yàn)，并對(duì)不同水深條件下及不同拋填材料組合情況下的拋填進(jìn)占施工效率及安全進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)水深達(dá)到28m及以上后，無(wú)論堤頭采取任何拋填材料、材料級(jí)配及拋填方式，發(fā)生大范圍坍塌的可能性均較大，很難保證拋填進(jìn)占施工質(zhì)量；當(dāng)實(shí)際水深降至18～28m范圍后，雖然發(fā)生大規(guī)模坍塌的可能性仍然存在，但是發(fā)生概率和規(guī)模大大減??；當(dāng)水深在18m以下時(shí)，幾乎不存在拋填材料坍塌的可能性。為此，本水利樞紐工程在水深18m及以上的區(qū)域拋填進(jìn)占截流施工，應(yīng)采用水下平拋墊底法，以有效應(yīng)對(duì)截流水深較深所引發(fā)的截流施工風(fēng)險(xiǎn)。

樞紐工程上游圍堰平拋墊底總工程量的設(shè)計(jì)值為63.8萬(wàn)m3，為避免增大后期混凝土防滲墻造孔施工難度，截流戧堤底部主要使用塊石料和石渣料拋填，圍堰軸線周圍主要使用砂石毛料拋填?？紤]到平拋墊底工程量較大，故分兩階段完成，在施工期內(nèi)汛期到來(lái)之前，主要將戧堤處塊石料和石渣料拋填至38m高程處，將圍堰堰體處砂石料拋填至32m高程，待汛期結(jié)束后再加高至38m的高程設(shè)計(jì)值。既能起到安全度汛防沖的作用，又能防止已經(jīng)拋填完成的砂石料發(fā)生性能粗化。

為加強(qiáng)平拋墊底施工質(zhì)量控制，必須增強(qiáng)拋填定位的準(zhǔn)確度，并預(yù)防拋填施工過(guò)程中拋填料分離，以控制拋填施工難度。對(duì)于水流流速較大的區(qū)域應(yīng)以定位穩(wěn)定、準(zhǔn)確、移位靈活且采砂效率250m3/h的采砂船為定位船，并用拋投量400m3的石駁船裝載拋填料，待運(yùn)抵截流施工區(qū)域后以定位船為基準(zhǔn)集中卸料拋填。汛期過(guò)后水下量測(cè)校核結(jié)果顯示，汛前所拋填進(jìn)占的墊底材料完整。此外，還根據(jù)水深進(jìn)行了平拋墊底高程的加高處理，降低了龍口合龍施工水深和施工難度。

3.4 分流條件

水利樞紐工程分流條件設(shè)計(jì)，即分流建筑物設(shè)計(jì)施工，是影響截流難度及施工成敗的關(guān)鍵，本樞紐工程以導(dǎo)流明渠為主要分流建筑物，所確定的實(shí)際截流流量為6460～10200m3/s。分流條件設(shè)計(jì)還包括圍堰和分流建筑物堰外段的開(kāi)挖拆除，為降低合龍施工難度，確保明渠堰外段的開(kāi)挖拆除施工質(zhì)量，在施工前的上一個(gè)枯水期內(nèi)，便完成了圍堰外低水圍堰結(jié)構(gòu)的修筑，保證了明渠進(jìn)口段提前完工。

此外，還將縱向圍堰施工期和導(dǎo)流明渠圍堰進(jìn)水時(shí)間提前了4個(gè)月，為圍堰水下開(kāi)挖拆除施工贏取了時(shí)間。導(dǎo)流明渠過(guò)流時(shí)間提前至汛前的處理，使其泥沙淤積愈加嚴(yán)重，至汛期后預(yù)進(jìn)占施工時(shí)，導(dǎo)流明渠分流并未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)際分流比僅為水工模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)值的30%左右[3]，為此，結(jié)合樞紐工程所在流域?qū)嶋H來(lái)水量，將束窄戧堤口門(mén)提前，以使導(dǎo)流明渠過(guò)流流量和流速增大，便于沖淤。在龍口最終合龍前水下測(cè)量結(jié)果顯示，導(dǎo)流明渠過(guò)水面積已接近設(shè)計(jì)斷面的82.1%～96.7%，分流比增至93.96%，沖淤效果顯著。

3.5 圍堰高度驗(yàn)算

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274—2001）規(guī)定，對(duì)均質(zhì)土截流圍堰頂高程進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算表達(dá)式如下:

式中：y——壩頂超高，m；

R——最大波浪在壩坡上的爬高，m；

e——最大風(fēng)壅水面高度，m；

英國(guó)有工業(yè)再造計(jì)劃、美國(guó)有再造工業(yè)方案、德國(guó)有工業(yè)4.0，而中國(guó)亦有“中國(guó)制造2025”。這讓人們?cè)絹?lái)越清晰地看到人類進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展的新時(shí)代。文化消費(fèi)成為主導(dǎo)，科技創(chuàng)新成為基礎(chǔ)，跨界融合的創(chuàng)造需求日益增強(qiáng)。在新時(shí)代，工業(yè)設(shè)計(jì)的格局與發(fā)展將迎來(lái)一場(chǎng)革命，而這一次中國(guó)改革開(kāi)放的成果為這場(chǎng)革命的參與者和主力軍奠定了基礎(chǔ)。

A——安全加高，根據(jù)施工壩的等級(jí)，查表5.3.1取0.5m。

（1）波浪的平均波高、平均波周期，采用莆田試驗(yàn)站公式，其計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：hm——平均波高，m；

Tm——平均波周期，s；

W——計(jì)算風(fēng)速，根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料統(tǒng)計(jì)，東臺(tái)地區(qū)全年最大風(fēng)速為10m/s；

D——風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，按5倍的河道設(shè)計(jì)寬度260m；

Hm——水域平均水深，m；

（2）平均波長(zhǎng)計(jì)算表達(dá)式如下:

式中：Lm——平均波長(zhǎng)，m；

H——壩迎水面前水深，m。

（3）正向來(lái)波在單坡上的平均波浪爬高，計(jì)算表達(dá)式如下:

式中：Rm——平均波浪爬高，m；

KΔ——斜坡的糙率滲透性系數(shù)，根據(jù)護(hù)面類型查表A.1.12-1取0.9；

Kw——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表A.1.12-2取1.02；

m——單坡的坡度系數(shù)，若坡角為α，即等于cotα。

根據(jù)以上公式及參數(shù)，施工截流圍堰超高計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 施工截流圍堰超高計(jì)算成果 單位：m

截流圍堰驗(yàn)證頂高程為防洪設(shè)計(jì)水位+安全超高，即2.87+0.5=3.37m，小于設(shè)計(jì)高程4.00m。綜上所述，施工截流圍堰設(shè)計(jì)高程滿足安全要求。

4 結(jié)論

通過(guò)該水利樞紐工程在汛期大流量下截流進(jìn)占的施工經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)截流施工組織準(zhǔn)備及方案設(shè)計(jì)合理是保證截流施工成敗的關(guān)鍵。汛期大流量截流進(jìn)占施工，必須把握來(lái)水較小的有利時(shí)機(jī)，果斷截流。結(jié)合流域來(lái)水情況，延長(zhǎng)預(yù)進(jìn)占長(zhǎng)度，以降低截流進(jìn)占合龍難度，縮短合龍時(shí)間。截流施工過(guò)程中還必須密切關(guān)注戧堤變動(dòng)，及時(shí)采取有效措施，確保截流安全、順利、高效施工。