張 杰, 廖 雯, 陳 榮
(中國水利水電第十二工程局有限公司,浙江 杭州 310004)
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),右岸為西藏昌都自治州芒康縣朱巴籠鄉(xiāng),是金沙江上游13級開發(fā)方案中的第8級,總裝機(jī)容量2 000 MW,水庫正常蓄水位2 702 m。
工程截流標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇11月平均設(shè)計流量Q=639 m3/s,對應(yīng)截流戧堤擋水水位2 548.193 m,戧堤堤頂高程2 550 m。截流戧堤施工區(qū)河道為深厚軟弱堰塞湖相沉積形成的覆蓋層,工程性狀差,覆蓋層厚度65~68 m。白格堰塞湖潰堰洪水過后,壩址區(qū)河床平均降低1~2 m,表層Qal-5砂卵石層抗沖能力差。
截流中,裹頭是合龍前保護(hù)戧堤端頭的防護(hù)結(jié)構(gòu),也是保護(hù)戧堤龍口的重要措施,防止截流過程中水流沖刷造成龍口坍塌,為工程順利截流提供保障。 工程采用單戧寬戧堤從左向右單向立堵的截流方式,將截流材料從龍口左端向右端拋投進(jìn)占,逐漸束窄龍口,直至全部截斷[1]。為保證右岸堤頭及邊坡穩(wěn)定,在合龍前,采用大塊石、鋼筋石籠等對右岸堤頭及戧堤上下游約23 m范圍的邊坡進(jìn)行全面防護(hù)。工程截流期間,龍口右岸戧堤水下拋投的大塊石雖出現(xiàn)輕微脫空現(xiàn)象,但鋼筋石籠整體穩(wěn)定,為電站安全、高效合龍奠定了堅實的基礎(chǔ)。
在流量為Q=639 m3/s進(jìn)行模型試驗。在Q=639 m3/s工況下,工程截流龍口落差達(dá)9.41 m、龍口最大流速達(dá)11.30 m/s、堤頭上挑角最大流速超過3.56 m/s、戧堤軸線平均流速2.52 m/s、戧堤軸線水深超過8.34 m,最大龍口水流單位功率達(dá)79.39 t·m/s·m。模擬拋投進(jìn)占過程中,在龍口寬23 m和10 m時,戧堤軸線處的最大流速分別達(dá)7.85 m/s和8.66 m/s。預(yù)進(jìn)占階段未改變天然河道的主流行進(jìn)方向,龍口及附近水流平順。截流期間,戧堤裹頭處的拋投料受水流擾動和沖刷影響,存在少量拋投料被水流卷走,長時間沖刷后裹頭局部存在坍塌的現(xiàn)象。當(dāng)采用粒徑0.5 m左右的塊石對裹頭進(jìn)行保護(hù)后,裹頭和下游側(cè)戧堤堤頭各處均未出現(xiàn)流失和坍塌現(xiàn)象。在龍口寬度小于44 m時,戧堤滲透流量和流速增大,戧堤下游側(cè)受右側(cè)凸出山體影響,高流速對戧堤下挑角形成沖刷,進(jìn)占過程中戧堤下挑角受滲透和沖刷間歇性發(fā)生坍塌[2]。
鑒于截流模型試驗成果,工程截流前需要對右岸戧堤進(jìn)行裹頭保護(hù)。裹頭設(shè)計原則如下:
(1)防止堤頭被沖潰坍塌,裹頭滿足截流時水流沖刷要求;
(2)裹頭防護(hù)材料粒徑大于0.5 m;
(3)適當(dāng)擴(kuò)大裹頭保護(hù)范圍,防止截流戧堤下游發(fā)生坍塌;
(4)戧堤下裹頭受淘刷更為嚴(yán)重,要加強(qiáng)防護(hù);
(5)裹頭的坡比經(jīng)修正后不陡于1∶1.3[3];
(6)裹頭防護(hù)材料能在當(dāng)?shù)胤奖惬@取。
2.2.1 裹頭防護(hù)拋頭體直徑、重量估算
裹頭防護(hù)拋頭體直徑及質(zhì)量計算采用經(jīng)驗公式估算:
(1)
(2)
式中d為拋頭體粒徑,折算成圓球體的直徑(m);vmax為龍口平均流速(m/s),2.52 m/s;k為綜合穩(wěn)定系數(shù),取1.02;g為重力加速度(m/s2),9.8 m/s2;ρm為拋頭體的密度(t/m3),塊石取2.7 t/m3;ρ為水的密度(t/m3),1 t/m3;W為拋頭體重量(t)。
安全系數(shù)為1.2~1.8,裹頭防護(hù)拋頭體直徑0.5~0.8 m,裹頭防護(hù)拋頭體重量0.18~0.73 t。
2.2.2 裹頭材料及防護(hù)范圍
工程截流裹頭防護(hù)采用大塊石(D=0.5~0.8 m)、特大塊石(D≥1 m)、鋼筋石籠等三種主要材料。鋼筋石籠尺寸為2 m×1 m×1 m(長×寬×高),石籠主次筋均采用C20 mm鋼筋。鋼筋網(wǎng)格間距20 cm,采用焊接連接。鋼筋石籠內(nèi)碼放塊石,周邊塊石粒徑不小于30 cm,內(nèi)部充填密實,巖塊飽和抗壓強(qiáng)度不小于30 MPa。
裹頭防護(hù)范圍為右岸戧堤堤頭及上下游約23 m范圍內(nèi)。龍口右岸戧堤裹頭布置見圖1。
圖1 龍口右岸戧堤裹頭布置示意圖
2.2.3 裹頭結(jié)構(gòu)
戧堤裹頭采用大塊石、特大塊石及鋼筋石籠聯(lián)組結(jié)構(gòu)。其中,戧堤護(hù)腳采用塊徑0.5~0.8 m大塊石防止截流中河床被淘刷;水位變幅區(qū)以下護(hù)坡部分采用塊徑0.8 m以上的特大塊石;水位變幅區(qū)以上采用2 m×1 m×1 m鋼筋石籠防護(hù),防護(hù)厚度4 m。右岸戧堤裹頭防護(hù)橫斷面圖見圖2。
圖2 右岸戧堤裹頭防護(hù)橫斷面圖
(1)裹頭防護(hù)施工工藝流程:右岸戧堤預(yù)進(jìn)占→河床護(hù)底→戧堤水下護(hù)腳→水位變幅區(qū)以下特大塊石防護(hù)→水位變幅區(qū)以上戧堤補(bǔ)填、鋼筋石籠裹頭防護(hù)。
(2)裹頭防護(hù)施工工藝。①右岸戧堤部位先采用反鏟挖掘機(jī)在2 544.5 m高程戧堤平臺拋填大塊石進(jìn)占5 m,作為戧堤裹頭護(hù)腳及初期防護(hù),施工從戧堤上游端頭部位開始,所采用的大塊石的直徑必須符合設(shè)計要求;②河床護(hù)底,根據(jù)龍口水位、水流流速、水面寬度、河床高程及鋼筋石籠尺寸、重量等特性,鋼筋石籠采用75 t汽車吊吊放,鋼筋石籠從下游向上游分層安放,兩岸安排測量人員采用拉標(biāo)尺線的方式進(jìn)行精確放樣、定位;護(hù)底鋼筋石籠安放時,汽車吊機(jī)停放在2 544.5 m高程戧堤預(yù)進(jìn)占平臺,鋼筋石籠吊索與汽車吊掛鉤間設(shè)置自動脫鉤裝置,確保精確安放、安全施工;③河床護(hù)底完成,對右岸戧堤水位變幅區(qū)以下坡面采用反鏟挖掘機(jī)拋投特大塊石加強(qiáng)裹頭防護(hù),防護(hù)厚度至少2 m,特大塊石裹頭修坡坡比不能大于1∶1.3,保證裹頭防護(hù)自身的穩(wěn)定;④對右岸戧堤水位變幅區(qū)以上部位補(bǔ)填至高程2 550 m,每填筑一層、整平一層,鋼筋石籠防護(hù)一層;鋼筋石籠防護(hù)厚度4 m,人工配合75t汽車吊機(jī)采用“一丁一順”法擺砌,每層鋼筋石籠外側(cè)均采用鋼絲繩進(jìn)行鉸接,鋼筋石籠頂部采用C25 mm鋼筋焊接成整體結(jié)構(gòu)。
據(jù)統(tǒng)計,在我國已完成的截流工程中,只有極個別工程出現(xiàn)了實際來流量大于設(shè)計流量的情況[3]。為保障截流安全,在戧堤右岸多準(zhǔn)備一部分大塊石、鋼筋石籠,作為裹頭防護(hù)的應(yīng)急措施,裹頭有被沖毀跡象時,及時采取加強(qiáng)裹頭防護(hù)等措施,特殊情況將3~4塊大塊石串聯(lián)在一起,用推土機(jī)推入水中作為裹頭臨時防護(hù)。
工程安排在2021年11月27日上午10時開始截流。截流期間,隨著戧堤進(jìn)占、龍口寬度逐步縮窄,右岸裹頭并未出現(xiàn)塌陷。當(dāng)龍口寬度縮窄到30 m、戧堤上下游水位落差6.46 m、流速7.57 m/s時,拋填進(jìn)入最困難期,右岸戧堤下挑角裹頭水下部分大塊石出現(xiàn)輕微脫空,但因鋼筋石籠仍保持整體穩(wěn)定,未發(fā)生下沉和塌陷。在歷經(jīng)12 h連續(xù)、高強(qiáng)度拋投后,電站于2021年12月27日21時58分成功截流。
大型水電工程的截流過程十分復(fù)雜,截流實施結(jié)果與原計劃存在一定的差距。在裹頭設(shè)計時,考慮河床深厚軟弱覆蓋層的存在,在使用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算的基礎(chǔ)上,利用截流模型試驗確定邊界條件,裹頭防護(hù)采用大塊石、特大塊石、鋼筋石籠聯(lián)組結(jié)構(gòu)防護(hù)措施。截流過程中,隨著龍口寬度的束窄,龍口最大流速的位置向龍口下游偏移,深厚軟弱覆蓋層的存在導(dǎo)致右岸戧堤下挑角裹頭水下部分大塊石出現(xiàn)輕微脫空情況,由于截流前準(zhǔn)備的大塊石、鋼筋石籠充分,設(shè)計科學(xué),使險情并未發(fā)生,且取得良好效果,可為類似工程截流裹頭防護(hù)參考借鑒。