金沙水電站大江截流施工技術(shù)研究

李雷 彭海波 段會平 李瞬旭燕

摘要：金沙水電站大江截流是項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其工期緊、任務(wù)重、截流流量大，風(fēng)險不可控，技術(shù)難度大。確保截流一次性成功是金沙水電站順利建設(shè)的重要保障。通過在截流設(shè)計中，合理考慮現(xiàn)場施工布置、截流備料，并在實(shí)施過程中根據(jù)河床流量、龍口流速等關(guān)鍵水力學(xué)信息準(zhǔn)確進(jìn)行龍口特殊物料的拋投，順利實(shí)現(xiàn)了金沙水電站二期大江截流。

關(guān)鍵詞：大江截流; 截流施工; 水文監(jiān)測; 拋投物料; 金沙水電站

中圖法分類號：TV551.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.002

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0005 - 05

0 引 言

國內(nèi)外河道截流的方法較多，其中戧堤法是截流的基本方法，可細(xì)分為平堵和立堵兩種。隨著現(xiàn)代吊裝和運(yùn)輸設(shè)備大型化的發(fā)展，截流技術(shù)逐漸以立堵為主并取代平堵[1-3]。如今，大江大河截流技術(shù)方法已成熟，而關(guān)鍵在于如何使截流規(guī)劃設(shè)計及施工應(yīng)更切合實(shí)際、安全可靠而又經(jīng)濟(jì)合理。

1 工程概況

金沙水電站閘壩采用“左廠右泄”的布置格局，即左岸布置電站建筑物，右岸布置泄洪、導(dǎo)流設(shè)施，如圖1所示。金沙水電站工程采用明渠分期導(dǎo)流方式，導(dǎo)流共分為三期，導(dǎo)流明渠布置于右岸，一期進(jìn)行右岸導(dǎo)流明渠和混凝土縱向圍堰施工;二期進(jìn)行主河床截流，在二期土石圍堰和混凝土縱向圍堰保護(hù)下進(jìn)行三孔河床溢流壩段、廠房壩段和左岸非溢流壩段施工，水流從導(dǎo)流明渠下泄，如圖2所示;三期進(jìn)行明渠截流。本文主要介紹金沙水電站二期截流施工技術(shù)。

因在金沙水電站二期截流完成后，才能正式實(shí)現(xiàn)一期導(dǎo)流明渠至二期主體機(jī)組主體結(jié)構(gòu)的施工轉(zhuǎn)序，且二期主要包含魚道、安裝間、4臺機(jī)組及左岸三孔溢流壩施工，工作內(nèi)容多，直接制約機(jī)組發(fā)電，所以二期截流至關(guān)重要，必須保證一次截流成功。同時，由于金沙水電站截流流量大，水流受上游電站調(diào)度影響，因此流量變化大，存在較大的截流難度和風(fēng)險[4]。

2 截流方案設(shè)計

2.1 截流方式

經(jīng)過方案比選及專家論證后，考慮到圍堰斷面不大且截流流量較大，對金沙水電站采用提前全斷面預(yù)進(jìn)占、單戧（寬戧）單向立堵截流、下游圍堰跟進(jìn)的截流方式?？紤]到交通布置及下游左岸防滲墻最深區(qū)域的施工時段需求，截流工程從左向右推進(jìn)，下游圍堰（防滲墻高程以下）全段面跟進(jìn)，并盡早形成防滲墻施工平面，減少后期圍堰施工的整體工期。截流前，將上游圍堰體整個斷面作為戧堤，同時采用上、下游挑角法預(yù)進(jìn)占;形成龍口后，將上游戧堤（頂寬12 m，頂高程1 004 m）單向立堵截流合龍;當(dāng)龍口寬度達(dá)到90 m時，龍口流速為3.61 m/s，此時拋投特殊物料，以確保截流成功。

2.2 截流水力學(xué)計算成果

對龍口進(jìn)行水力學(xué)計算[5]如下：① 計算龍口不同寬度的泄水曲線，先假設(shè)龍口的寬度，取不同水位計算出龍口的下泄流量，根據(jù)計算結(jié)果繪制上游水位-龍口流量關(guān)系曲線;② 繪制導(dǎo)流明渠上游水位-泄流關(guān)系曲線;③ 將上游龍口泄水曲線及導(dǎo)流明渠泄流曲線組合為聯(lián)合泄流曲線，按截流設(shè)計流量，求出不同龍口寬度的泄流量及相應(yīng)的上游水位，并計算出龍口最大水頭H0、單寬流量q;④ 根據(jù)龍口泄流量查電站壩址水位-流量關(guān)系曲線圖，得出龍口下游水位;⑤ 計算出上下游水位差h，判別龍口流態(tài)，即當(dāng)h<0.3H0時，龍口為淹沒出流，龍口水深取下游水深;當(dāng)h=0.3H0時，龍口為臨界流，龍口水深取臨界水深;當(dāng)h>0.3H0時，龍口為非淹沒出流，龍口水深取臨界水深;⑥ 根據(jù)龍口單寬流量和龍口水深計算出龍口流速v;⑦ 由上游龍口分流量及龍口水深計算相應(yīng)龍口水力學(xué)指標(biāo)。所得龍口截流水力學(xué)計算參數(shù)如表1所示。

2.3 截流規(guī)劃

上游截流戧堤龍口從左岸向右岸單向立堵進(jìn)占，根據(jù)合龍過程中不同龍口寬度對應(yīng)的流速v、落差z等水力學(xué)指標(biāo)，將金沙水電站截流施工劃分為3個階段。

（1） 第一階段為右岸二期上游戧堤預(yù)進(jìn)占，該階段于2016年10月1日正式開始，10月30日結(jié)束。右岸二期上游戧堤預(yù)進(jìn)占長度約20 m，三面放坡坡比1∶1.5，同設(shè)計圍堰坡比一致;水下部分采用大塊石護(hù)坡，水上部分采用四面體、鋼筋石籠對裹頭做好防護(hù)。

（2） 第二階段為左岸二期上游戧堤預(yù)進(jìn)占，該階段于2016年11月1日正式開始，11月15日結(jié)束。上游戧堤左岸預(yù)進(jìn)占約60 m，此時龍口寬度束窄至90 m，平均流量Q=1 470 m3/s，根據(jù)截流水力學(xué)計算，龍口軸線平均流速為3.61 m/s，落差為1.05 m，形成截流龍口，需采用直徑為0.49～0.94 m的大塊石進(jìn)占才可以滿足其抗沖流速要求。

（3） 第三階段為戧堤龍口段截流合龍，該階段為截流施工最關(guān)鍵階段，要求不間斷施工，一氣呵成。根據(jù)截流施工組織安排，該階段于2016年12月21日開始，并于23日結(jié)束，在共計37 h內(nèi)，取得了金沙江大江截流的成功。戧堤龍口段截流合龍分3區(qū)段施工。① 第一區(qū)段，龍口寬度為90～80 m，龍口水深4.2 m，龍口平均流速3.83 m/s、最大流速4.19 m/s，平均落差1.21 m、最大落差1.47 m，采用鉛絲籠和0.51～0.64 m的塊石全斷面進(jìn)占，石渣料跟進(jìn)。② 第二區(qū)段，龍口寬度70～30 m，龍口水深4.36 m，龍口平均流速4.73 m/s、最大流速4.90 m/s，平均落差1.78 m、最大落差1.89 m;為減少沖刷流失，以凸出上挑角（約30°）的方式，用直徑為0.77～0.94 m的特大塊石或混凝土預(yù)制塊從戧堤軸線上游側(cè)進(jìn)占，再將石渣拋填在戧堤軸線下游側(cè)。③ 第三區(qū)段，龍口寬度20～0 m，龍口水深2.97 m，龍口平均流速3.77 m/s、最大流速3.99 m/s，平均落差1.13 m、最大落差1.27 m;此區(qū)段水深逐漸變淺，有利于戧堤穩(wěn)定，為減少沖刷流失，以凸出上挑角的方式，用鉛絲石籠從戧堤軸線上游側(cè)進(jìn)占，再將直徑為0.49～0.63 m的塊石拋填在戧堤軸線下游側(cè)。

2.4 拋投物料計算

對創(chuàng)堤龍口段截流合龍3個施工區(qū)段的拋投物料進(jìn)行計算。因截流時水流流速與河床流量略有變化，大塊石（見表2）和混凝土四面體實(shí)際備料計算如下[6]。

（1） 大塊石。截流塊石粒徑計算公式為

式中：γδ為混凝土密度; D為混凝土四面體折算成球體的直徑，m; v為束窄龍口軸線斷面最大平均流速，m/s; K為綜合穩(wěn)定系數(shù)，取0.72; γ為水密度。

龍口軸線最大流速4.9 m/s，實(shí)際施工時，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，用鋼絲繩將3～4塊四面體串起進(jìn)行拋投。已知3～4塊四面體混凝土質(zhì)量為5.39 t，乘以安全系數(shù)1.5，得8 t，滿足截流拋投體要求。因此，所有拋投物料均按1.5的系數(shù)備用，計算成果如表3所示，龍口分區(qū)拋投料示意如圖3所示。

3 截流施工過程

3.1 施工準(zhǔn)備

截流備料場分別布置在左岸上、下游二期圍堰備料場，占地面積約3.78萬m2。左岸上游二期圍堰備料場位于上游索道橋左岸下游，距壩址0.2～0.5 km，堆料高程為1 030～1 037 m，占地面積1.31萬m2，堆存量約20.5萬m3。左岸下游二期圍堰備料場位于左岸距壩下游0.6～1.0 km范圍的沿江灘地，緊鄰7號進(jìn)廠公路，堆料高程1 054 m，占地面積2.47萬m2，堆存量約30.5萬m3。

截流前將左岸廠房邊坡開挖取得的大塊石、鉛絲石籠、四面體、榪槎體等集中堆存至上游圍堰備料場，供截流時使用。

3.2 水文監(jiān)測

為滿足截流、科研設(shè)計、施工決策對水文監(jiān)測的需求，共布設(shè)6個水位監(jiān)測站，2個流量監(jiān)測站（1個河道總流量監(jiān)測站位于老庫灘水位站處，1個截流龍口流量監(jiān)測站位于上、下圍堰之間水流較平穩(wěn)處），1個龍口流速監(jiān)測站，1個龍口寬度觀測站。在截流施工期間配備專業(yè)水文檢測人員對水位及流速進(jìn)行24 h觀測。非龍口段每2 h觀測一次，龍口段每1 h觀測一次。技術(shù)人員根據(jù)實(shí)測的流速分析截流拋投材料粒徑，確定截流實(shí)施方案，并將分析得到的結(jié)果匯報到截流指揮中心，指導(dǎo)截流的實(shí)施。

3.3 備 料

結(jié)合截流監(jiān)測結(jié)果并根據(jù)設(shè)計要求，龍口備用拋投物料取拋投物料的1.5倍，因此實(shí)際各拋投料備用數(shù)量為：混凝土四面體備料1 176 m3;鉛絲石籠備料564 m3;大石備料6 962 m3，中石備料20 885 m3，石渣備料5 221 m3，備料總量34 809 m3。備料地點(diǎn)為上游備料場，距截流部位最近（見圖2）。

3.4 戧堤預(yù)進(jìn)占

為防止截流時水流攜帶大塊體物料流堆積在上游圍堰堰基防滲墻軸線部位，影響堰基防滲墻的施工質(zhì)量，截流戧堤布置于堰體內(nèi)防滲軸線下游34.75 m，截流時先進(jìn)行戧堤進(jìn)占施工（防滲墻施工平臺尾隨跟進(jìn)，保證防滲墻施工工期），在戧堤與上游石渣料間拋填粒徑小于20 cm的石渣混合料，以減小防滲墻施工難度。綜合比較龍口閉氣后堰前水位、安全超高及截流施工布置等方面后，將戧堤頂高程確定為1 004 m。

在戧堤進(jìn)占后，根據(jù)提供的水文、水情預(yù)報，流量一旦變大（流速超3 m/s），立即用大塊石拋投，并用鋼筋石籠對戧堤端進(jìn)行保護(hù)。

3.5 截流施工

2016年12月21日13：00圍堰截流正式開始?，F(xiàn)場配備25 t自卸汽車20臺，PC400挖機(jī)3臺，CAT330B挖機(jī)4臺，TY220推土機(jī)2臺，ZL-50 C裝載機(jī)2臺。

戧堤堤頭車輛行駛線路規(guī)劃為三車道，其中兩線為重車卸料進(jìn)占路線，另外一線為空車返回路線;堤頭線路縱向布置共分為3個區(qū)：拋投區(qū)，待卸區(qū)和回車區(qū)。為減少倒車距離、加快拋填速度，利用跟進(jìn)填筑的堰體部分進(jìn)行回車。在戧堤靠上游側(cè)拋填特大塊石及鉛絲石籠，在中間及靠下游側(cè)拋填一般塊石。主要采用自卸汽車直接拋投，堤頭有塌滑趨勢時采用堤頭集料、推土機(jī)趕料的方式進(jìn)占。堤頭拋投主要采用全斷面推進(jìn)和凸出上挑角兩種進(jìn)占方式。

2016年12月21日13：10開始第一區(qū)段截流。龍口寬度為90～80 m時，最大流速3.8 m/s，龍口最大落差0.65 m，導(dǎo)流明渠分流比40%，采用0.4～0.8 m的塊石全斷面進(jìn)占，石渣料跟進(jìn)。為滿足拋投強(qiáng)度，視堤頭的穩(wěn)定情況，采用以自卸汽車直接拋填為主，部分采用堤頭集料、推土機(jī)趕料的方式拋投;在塌滑頻繁區(qū)，全部采用堤頭集料方式填筑。

2016年12月21日15：30進(jìn)入第二區(qū)段截流。此時龍口寬度70～30 m，龍口最大流速5.2 m/s，龍口最大落差2.10 m，導(dǎo)流明渠分流比70%。導(dǎo)流明渠分流效果和導(dǎo)流效果較設(shè)計效果差，導(dǎo)致龍口流速超設(shè)計計算值，此階段進(jìn)占十分困難。為減少沖刷流失過大，現(xiàn)場立即加大資源投入，采用凸出上挑角約30°的方式施工，通過汽車將特大塊石（粒徑與流速匹配）和混凝土預(yù)制塊串從戧堤軸線上游側(cè)直接拋投進(jìn)占，再將石渣集中傾倒在戧堤軸線中下游側(cè)，利用2臺推土機(jī)同時向前推進(jìn)，保證拋投足夠的石渣料，過程中各工序銜接流暢，戧堤進(jìn)占穩(wěn)步向前。

2016年12月22日21：00正式進(jìn)入第三區(qū)段截流。此時龍口寬度僅剩20 m，龍口水深2.97 m，龍口最大流速4.3 m/s，龍口最大落差2.43 m。此區(qū)段水深逐漸變淺，有利于戧堤的穩(wěn)定，但龍口流速仍然較大，為減少沖刷流失，采用凸出上挑角方式施工，繼續(xù)利用混凝土預(yù)制塊從戧堤軸線上游側(cè)進(jìn)占，再將0.4～1.0 m的塊石拋填在戧堤軸線下游側(cè)，確保截流順利完成。

金沙水電站截流設(shè)計流量為5 a一遇平均流量Q=1 470 m3/s，設(shè)計龍口流速最大為4.9 m/s，實(shí)際截流時河流平均流量約900 m3/s，實(shí)際流量較設(shè)計值小，但受導(dǎo)流明渠分流效果影響，龍口最大流速超過設(shè)計值，達(dá)到5.2 m/s，直接增加截流難度。推測截流流速變大的現(xiàn)象與明渠底板高出河床較多及一期圍堰水下拆除高程密切相關(guān)。通過精細(xì)化組織施工，準(zhǔn)備了大量榪槎體、四面體等特殊物料，提前適時掌握上游電站調(diào)度情況，截流所需大塊石選料、備料直接從左岸邊坡選取并堆存于上游備料場;截流時運(yùn)距較短，施工場地大，機(jī)械設(shè)備協(xié)調(diào)方便，實(shí)際最大拋投強(qiáng)度達(dá)2 700 m3/h。最終經(jīng)過長達(dá)36 h的奮戰(zhàn)，金沙水電站二期截流成功合龍。

4 結(jié) 語

金沙水電站二期大江截流有以下特點(diǎn)。

（1） 截流流量較設(shè)計值小，設(shè)計平均流量Q=1 470 m3/s，實(shí)際平均流量約900 m3/s，但受導(dǎo)流明渠分流效果影響，龍口最大流速超設(shè)計值，從4.9 m/s增大至5.2 m/s，直接增加截流難度。通過精細(xì)化施工組織和周密的準(zhǔn)備工作，順利完成截流施工。

（2） 施工現(xiàn)場增設(shè)了3臺可調(diào)節(jié)高倍高清攝像頭，1臺用于戧堤合攏段實(shí)時監(jiān)控，1臺用于備料場及道路監(jiān)控，1臺用于戧堤變形監(jiān)控、預(yù)警。僅需要少量的人員就能對整個截流過程進(jìn)行全方位的實(shí)時監(jiān)控，便于總指揮對截流施工的協(xié)調(diào)與調(diào)度，并且可留存截流視頻，利于總結(jié)截流施工。

金沙水電站圓滿實(shí)現(xiàn)大江截流，為水電站按期發(fā)電奠定了基礎(chǔ)。本次工程實(shí)踐的成功對其他大江截流施工具有參考意義。

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（編輯：高小雲(yún)）

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