工程截流水文觀測技術(shù)與實(shí)施

廖 雯， 王 興， 譚 曉 東， 黃 銳， 李 霞 斌

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

1 概 述

拉哇水電站位于金沙江上游，左岸為四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉(xiāng)，右岸為西藏自治區(qū)昌都市芒康縣朱巴籠鄉(xiāng)，為一等大(Ⅰ)型工程，壩址控制流域面積17.6萬km2，多年平均流量861 m3/s，水庫總庫容為24.67億m3，總裝機(jī)容量2 000 MW。樞紐采用河床布置混凝土面板堆石壩，壩頂高程2 709 m，壩頂長度398 m，壩頂寬15 m。

工程截流采用導(dǎo)流洞分流、單戧寬戧堤從左向右單向立堵進(jìn)占截流方式。截流戧堤布置在上游圍堰內(nèi)，截流標(biāo)準(zhǔn)采用11月10年一遇月平均流量Q=639 m3/s，對應(yīng)的截流戧堤擋水水位2 548.193 m，戧堤堤頂高程2 550 m。截流龍口布置在右岸，龍口頂寬60 m。

工程截流時(shí)，及時(shí)掌握截流期間龍口區(qū)域水情，分析河流水文要素變化規(guī)律，是指導(dǎo)工程截流施工組織、施工進(jìn)度、投料強(qiáng)度、投料順序、拋投方法的重要依據(jù)[1]。同時(shí)，對戧堤及其附近部位水位、流速、龍口寬度、水面寬度、戧堤高程等水文指標(biāo)進(jìn)行跟蹤測量、實(shí)時(shí)分析，為工程截流順利實(shí)施提供了水文技術(shù)保障。

2 水文觀測方案

水文觀測時(shí)段為2021年11月27日～2021年11月29日，水力學(xué)要素觀測主要在截流合龍階段[2]。

2.1 水文觀測工作內(nèi)容

及時(shí)掌握截流環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，是戧堤進(jìn)占強(qiáng)度安排、拋投材料確定的基礎(chǔ)。

2.1.1 觀測站點(diǎn)的布設(shè)

截流期間的水文觀測工作不同于常規(guī)江河的水文觀測，易受截流施工的不斷干擾，同時(shí)要及時(shí)滿足施工進(jìn)度的需要，是一種特定環(huán)境、特定時(shí)間、特定條件下的水文觀測[3]。根據(jù)工程截流施工及水文觀測的具體情況，共布置2個(gè)觀測站，3個(gè)移動(dòng)觀測點(diǎn)，7個(gè)固定觀測點(diǎn)。截流期間水文觀測站網(wǎng)布置見圖1。

圖1 截流期間水文觀測站網(wǎng)布置示意圖

2.1.2 水文觀測的內(nèi)容

(1)截流戧堤左右岸上、下挑腳(①、②、⑤、⑥)：水位、流速。隨著龍口束窄，龍口水力條件逐漸變差，戧堤上游防沖磯頭(上挑腳)及下游回流區(qū)(下挑腳)的穩(wěn)定對整個(gè)戧堤的穩(wěn)定至關(guān)重要，故在左右岸上、下挑腳處各設(shè)置1個(gè)觀測點(diǎn)，為合理選擇上、下挑角拋投料、拋投順序、拋投強(qiáng)度等提供依據(jù)。其中左岸上、下挑腳觀測點(diǎn)(①、⑤點(diǎn))隨戧堤進(jìn)占同步向右岸移動(dòng)。

(2)截流戧堤上游-50 m處(④)：水位、流速。觀測戧堤軸線上游-50 m處(SY0-125)水位、流速，配合分析戧堤軸線上下游水位和有效落差隨進(jìn)占過程的變化及戧堤軸線上下游沿程流速分布，為合理選擇拋投料、拋投方式、控制施工進(jìn)度等提供依據(jù)。

(3)截流戧堤軸線部位(③)：戧堤高程、龍口寬度、對應(yīng)水面寬度、水位、流速。觀測截流戧堤軸線部位戧堤高程、龍口寬度、對應(yīng)水面寬度、水位、流速等，以便及時(shí)分析龍口落差、龍口流速隨龍口束窄過程中的變化，為合理選擇拋投料、拋投強(qiáng)度、控制施工進(jìn)度等提供依據(jù)，該觀測點(diǎn)隨戧堤進(jìn)占同步向右岸移動(dòng)。

(4)截流戧堤軸線下游+21.8 m、+31.7 m、+32.5 m、+50 m處(⑦、⑧、⑨、⑩)：水位、流速。該電站龍口設(shè)計(jì)寬度為60 m，壩區(qū)河床為深厚軟弱覆蓋層，表層Qal-5抗沖刷能力差，水力模型試驗(yàn)成果表明，在Q=639 m3/s工況下，當(dāng)龍口寬為30 m時(shí)，龍口流速最大，在龍口寬度20 m時(shí)略有下降；龍口寬60 m、30 m、20 m時(shí)，龍口最大流速點(diǎn)分別位于戧堤軸線下游+21.8 m、+31.7 m、+32.5 m處。為減輕河床沖刷、減少龍口拋投量、縮短截流時(shí)間和減輕戧堤坍塌，確保戧堤截流拋填順利實(shí)施，在合龍前采用鋼筋石籠、大塊石等對龍口段戧堤上游25 m、下游35 m范圍內(nèi)河床進(jìn)行護(hù)底。在截流期間對可能發(fā)生最大流速位置的水位、流速進(jìn)行觀測，便于及時(shí)采取措施減輕河床沖刷，確保截流順利。

(5)拋投料穩(wěn)定和流失情況、戧堤左右岸邊坡穩(wěn)定情況[4]。

2.2 水文觀測的方法

工程截流期間，堤頭施工情況瞬息萬變，快速、準(zhǔn)確的掌握水情信息是成功截流的關(guān)鍵。

2.2.1 水位、高程觀測

在工程截流戧堤進(jìn)占中，因戧堤堤頭容易發(fā)生坍塌和施工車輛振動(dòng)等因素易于損壞水尺，或者造成水尺零點(diǎn)變動(dòng)進(jìn)而影響水位精度，從而不利于設(shè)尺觀測水位；并且水尺位置的固定不能滿足裹頭進(jìn)占水尺位置相應(yīng)變動(dòng)的需要[5]，故在預(yù)進(jìn)占和截流階段，采用全站儀無棱鏡模式對水位、龍口高程等進(jìn)行觀測記錄。

2.2.2 龍口寬度、水面寬度觀測

龍口寬度觀測由兩岸觀測人員采用全站儀TZ08對左右岸龍口坐標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果及時(shí)匯總給記錄人員，運(yùn)用坐標(biāo)反算法，計(jì)算直線的水平距離和坐標(biāo)方位角。水面寬度觀測和計(jì)算方法與龍口寬度觀測方法一致，水面直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)難以定在水面上，采用水面臨近的戧堤坡面與水面交匯部位作為水面寬度測量坐標(biāo)點(diǎn)。

2.2.3 流速觀測

電站上游戧堤附近的流速監(jiān)測，采用SVR手持式電波流速儀進(jìn)行非接觸式流速測量。

2.2.4 拋投料及邊坡穩(wěn)定觀測

采用目測法觀測。

2.2.5 觀測頻次

龍口S0+077～S0+085段進(jìn)占時(shí)，每1 h觀測一次；S0+085～S0+100段進(jìn)占時(shí)，每40 min觀測一次；龍口進(jìn)占最后20 m，每20 min觀測一次。同時(shí)，當(dāng)拋投料、拋投位置、拋投方法等變化時(shí)補(bǔ)充觀測一次。

2.2.6 觀測記錄及信息發(fā)布

截流期間，觀測人員按規(guī)定頻次及施工進(jìn)度需要對各水文要素進(jìn)行觀測，并實(shí)時(shí)記錄觀測結(jié)果，對結(jié)果進(jìn)行分析。建立截流通訊網(wǎng)絡(luò)，記錄人員將觀測結(jié)果及分析成果報(bào)告給工程截流總指揮，由總指揮統(tǒng)一進(jìn)行水文信息發(fā)布，指導(dǎo)工程截流施工。

3 觀測成果

隨著截流戧堤進(jìn)占，龍口上下游水位落差，龍口流速等均發(fā)生變化，且呈規(guī)律性。

3.1 龍口水位落差

隨著龍口的束窄，龍口落差逐漸增大，當(dāng)龍口寬度束窄至21 m時(shí)達(dá)到最大，水位落差為6.46 m，水面寬度為2.78 m。龍口基本合龍時(shí)水位落差的變化見圖2。

圖2 龍口基本合龍時(shí)水位落差的變化圖

3.2 龍口流速

龍口最大流速隨著龍口寬度束窄而增大，在龍口寬度束窄至30 m時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)流速為6.87 m/s，當(dāng)龍口水面寬度為18 m時(shí)，流速逐漸下降。同時(shí)，隨著龍口寬度的束窄，龍口最大流速的位置也慢慢向龍口下游偏移。龍口流速隨龍口束窄變化見圖3。

3.3 成果分析

工程截流實(shí)際流量為430 m3/s。根據(jù)截流期間水文觀測成果表明，在Q=430 m3/s流量的情況下，最大落差發(fā)生在龍口合龍時(shí)，達(dá)6.46 m；當(dāng)龍口寬度為30 m時(shí)，戧堤軸線部位最大流速達(dá)6.87 m/s；在戧堤軸線下游約22 m處，最大流速為7.57 m/s，此階段拋投料損失量最大，為截流最困難階段。

圖3 龍口流速隨龍口束窄變化圖

4 結(jié) 語

截流期間水文要素的實(shí)時(shí)觀測，驗(yàn)證了模型試驗(yàn)、水力學(xué)計(jì)算與設(shè)計(jì)成果。同時(shí)，為截流拋填料的選擇、截流進(jìn)度的把控等提供可靠的依據(jù)，也為提前完成合龍奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在截流戧堤強(qiáng)進(jìn)占時(shí)，右岸裹頭水下出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，現(xiàn)場指揮小組根據(jù)實(shí)時(shí)水文信息及時(shí)對右岸裹頭進(jìn)行補(bǔ)拋，并改變進(jìn)占方式，調(diào)整拋投料，有效控制了拋投料的流失。最終使電站提前合龍，順利完成截流工作，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。