長河壩水電站峽谷河床雙戧截流

孫周輝，沙曉玲

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

長河壩水電站為大渡河干流水電梯級開發(fā)的第10級電站，壩址位于四川甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)。大渡河為不通航河道，樞紐無漂木任務(wù)。壩型為礫石土心墻堆石壩，電站裝機(jī)容量2 600MW，水庫正常蓄水位1 690m，相應(yīng)庫容10.44億m3，壩頂高程1 697m，最大壩高240m。

電站施工導(dǎo)流采用土石斷流圍堰，2條初期導(dǎo)流洞均布置在右岸，導(dǎo)流方式采用斷流圍堰隧洞導(dǎo)流方式。導(dǎo)流洞過水?dāng)嗝婢鶠?2m×14.5m，進(jìn)口高程均為1 482.00m，出口高程均為1 475.00m。上、下游土石圍堰均按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)(流量5 790m3/s)設(shè)計(jì)，上游圍堰堰頂高程1 530.50m，最大堰高57m，堰頂全長168m，堰基河床覆蓋層最大厚度約82m，枯期河床水面寬80～106m。

2 截流實(shí)施方案研究

2 .1 截流設(shè)計(jì)與截流實(shí)施面臨的主要難題

(1)施工交通條件差、施工場地狹窄、交叉影響大。河床兩岸山勢陡峭，呈典型的“V ”形河谷，只有在右岸有一條通道，截流時(shí)將道路加寬至15～20m，作為截流主通道，左岸不具備布置截流道路的條件。戧堤部位場地狹小，道路布置困難。

(2)截流河段自然落差大，左岸岸坡地形陡直，河流主槽靠右岸，下切較深，形成急流，不利于截流。河床由漂卵石組成，最深處達(dá)82m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，透水性極強(qiáng)，架空現(xiàn)象普遍，河床沖刷情況嚴(yán)重，從而加大截流難度。

(3)截流戧堤落差大、流速高、水深，堰址最枯水深9～15m，河床坡降大，在圍堰軸線上、下游200m范圍內(nèi)自然落差超過3m，截流實(shí)測戧堤未閉氣狀態(tài)下截流總落差達(dá)9.6m ，戧堤頭部最大平均流速為7.6m/s。

(4)截流合龍拋投強(qiáng)度受限。受道路條件等限制，截流主要料源均布置在右岸壩肩范圍內(nèi)，且左岸不具備進(jìn)占條件，因此右岸單向進(jìn)占對道路要求條件較高。本工程截流只能采用單向立堵進(jìn)占，由于只有一條主通道連接上、下游戧堤，拋投強(qiáng)度受道路和場地狹窄限制，無法實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的拋投，成為制約高強(qiáng)度施工的關(guān)鍵因素。

(5)導(dǎo)流條件差。河流自然流態(tài)偏左岸，受前期條件影響2條導(dǎo)流洞均布置于右岸，導(dǎo)流洞自然分流效果差，增加截流難度。

2.2 截流時(shí)段選擇

大渡河流域6～9月為主汛期，10月為汛后過渡期，11月～翌年2月為穩(wěn)定退水期。根據(jù)實(shí)測的2010年10月水情，來流量已經(jīng)開始穩(wěn)定下降，逐漸降至模型試驗(yàn)所選定的流量以下，且截流備料也已經(jīng)充分準(zhǔn)備，為保證后期防滲墻工程有足夠的時(shí)間施工，選定在10月下旬～11月上旬截流。

2.3 截流戧堤位置的確定及戧堤互動研究

鑒于上、下戧堤之間河床的自然落差較大，在截流合龍到一定時(shí)間段時(shí)，可能因上戧水頭落差較大會導(dǎo)致合龍困難，所以截流之前提前考慮移動雙戧的方案即在截流前實(shí)施了降低截流難度的丁壩措施。在下戧堤進(jìn)占到一定程度后，對上戧上、下游水位落差失去調(diào)節(jié)作用，上戧在進(jìn)占時(shí)戧堤上游水頭迅速抬高而下游水頭抬高不明顯，導(dǎo)致上、下游水位差增大明顯，上戧合龍進(jìn)占效果不明顯，沖刷嚴(yán)重，此時(shí)下戧堤的進(jìn)占已經(jīng)失去作用；在進(jìn)行到此階段時(shí)上、下游戧堤進(jìn)展都比較困難，此時(shí)移動上戧至丁壩處，原上戧堤變成現(xiàn)在的下戧堤(為了概念明確分別用丁壩、上戧、下戧來說明，不采用變動后的上、下戧的說法)，因?yàn)槎闻c上戧之間原河床段的天然落差較小，上戧龍口段流速很大時(shí)丁壩附近流速緩慢，進(jìn)占能順利進(jìn)行，此時(shí)集中力量進(jìn)行丁壩進(jìn)占，在進(jìn)展到困難階段時(shí)采用大型塊石串穩(wěn)定堤，進(jìn)行上游戧堤進(jìn)展，直至合龍成功。上戧軸線位于圍堰軸線上游側(cè)68.3m，下戧軸線位于圍堰軸線下游56.7m，丁壩位于上戧上游約70m處。

2.4 截流模型試驗(yàn)研究及成果

2.4.1 模型設(shè)計(jì)

2008年委托四川大學(xué)采用正態(tài)、整體、動床水力模型試驗(yàn)，對截流進(jìn)占各區(qū)段水力條件進(jìn)行論證，并提出各段的水力學(xué)指標(biāo)和拋投方式、拋投料尺寸、重量和數(shù)量，為截流工程備料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過模型試驗(yàn)選擇合理的戧堤位置、進(jìn)占方式、進(jìn)占分區(qū)及拋投物料，觀測了解進(jìn)占各區(qū)段的水流條件和各種水力特性指標(biāo)，為截流設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參數(shù)和施工依據(jù)。

2.4.2 試驗(yàn)研究工況

通過動床水力模型試驗(yàn)，對不同流量、不同工況(導(dǎo)流洞有無殘埂、是否需要護(hù)底等)組合情況下多種截流方案的比選，優(yōu)化得出以下主要結(jié)論：

(1) 當(dāng)截流時(shí)段選擇在11月下旬，來流流量Q≤652.0m3/s較小時(shí)，可采用從右向左的單戧立堵方案，戧堤軸線為上游圍堰軸線上游68.3m；而當(dāng)來流流量Q>652.0m3/s后，則應(yīng)采用雙戧立堵截流方式。

(2) 當(dāng)截流時(shí)段選擇在10月下旬或11月上旬、流量Q=1 180m3/s或Q=838m3/s時(shí)，采用雙戧從右向左單向立堵進(jìn)占能夠成功截流。截流戧堤與上游圍堰結(jié)合，上戧堤軸線位于上游圍堰軸線上游68.3m，下戧堤軸線位于上游圍堰下游56.7m。預(yù)進(jìn)占方式為：上戧右岸預(yù)進(jìn)占長度為15m，左岸不布置裹頭，上戧龍口寬度55.0m，上游戧堤頂高程為1 492m，頂寬20m，上下游坡度為1∶1.5；下戧左戧堤預(yù)進(jìn)占長度15m，并用大塊石或塊石串做裹頭，厚度不小于8.0m，下戧右戧堤預(yù)進(jìn)占10m，下游戧堤頂高程1 488m，頂寬20m，上下游坡度為1∶1.5。進(jìn)占方式皆為從右向左單向進(jìn)占，截流方式為雙戧單向立堵截流。模型試驗(yàn)階段雙戧截流龍口水力學(xué)計(jì)算成果見表1和圖1。

表1 模型試驗(yàn)階段龍口水力學(xué)計(jì)算成果(Q=838m3/s)

2.4.3 截流戧堤布置及龍口位置

截流設(shè)計(jì)流量為838m3/s，上游戧堤頂高程為1 492m，頂寬20m，上下游坡度為1∶1.5；下游戧堤頂高程1488m，頂寬20m，上下游坡度為1∶1.5。

截流戧堤選在上游圍堰上、下趾處，上戧堤軸線位于上游圍堰軸線上游68.3m，下戧堤軸線位于上游圍堰下游56.7m。雙戧進(jìn)占分區(qū)見圖2。

龍口位置由地形、地質(zhì)及水力條件決定，龍口周圍應(yīng)有廣闊的場地，距離料場較近，力求放在覆蓋層淺或基巖裸露的地段，盡量避開有順流向的陡坡和深坑。根據(jù)本工程的地形位置及現(xiàn)場條件，河道右岸有施工道路通過，且經(jīng)過上游圍堰處公路路面高程1 491.00m左右，與截流戧堤高程相當(dāng)，截流由右岸向左岸單向進(jìn)占，截流龍口布置在河道左岸。同時(shí)為了使上、下龍口錯(cuò)開，有利于分擔(dān)落差，在下戧堤左岸預(yù)進(jìn)占15m時(shí)做10m長的大石及鋼筋石籠裹頭。雙戧互動進(jìn)占龍口寬度曲線見圖3。

2.5 模型試驗(yàn)階段與實(shí)施階段條件對比

圖1 截流參數(shù)曲線(Q=838m3/s)

圖2 雙戧進(jìn)占分區(qū)示意

長河壩工程原計(jì)劃于2008年截流，由于受客觀條件限制，2008年未實(shí)施截流，后計(jì)劃于2010年10月下旬實(shí)施截流。2008～2010年期間，河道兩岸其他相鄰工程施工時(shí)，部分石渣滾落河床，河道已經(jīng)縮窄，且經(jīng)過兩個(gè)汛期上游圍堰下戧堤及其下游河床受洪水淘刷有所下降。與2008年相比，同時(shí)段實(shí)測水面線在上游圍堰上戧堤及其上游河床壅高約2m，下戧堤及其下游河床水面線下降約1.5m。同時(shí)從實(shí)測導(dǎo)流洞分流情況、不同龍口寬度水力學(xué)計(jì)算成果與原模型試驗(yàn)成果進(jìn)行比較分析后認(rèn)為，2010年10月底實(shí)施截流仍可以原模型試驗(yàn)成果作為截流設(shè)計(jì)、施工依據(jù)，但為降低截流難度、確保截流成功，在具體實(shí)施過程中應(yīng)考慮適時(shí)調(diào)整方案。

圖3 雙戧互動進(jìn)占龍口寬度關(guān)系曲線

3 截流方案設(shè)計(jì)

3.1 截流時(shí)段和截流流量

根據(jù)長河壩電站總體工程進(jìn)度安排，計(jì)劃10月下旬至11月上旬實(shí)施截流，截流標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇11月上旬平均流量838m3/s。

3.2 截流方案選擇

根據(jù)2008年水力模型試驗(yàn)成果，采用岸邊堆渣、雙戧單向(從右岸至左岸)進(jìn)占立堵法實(shí)施截流。雙戧截流方案的選擇主要根據(jù)現(xiàn)場的條件，原因是上戧堤左岸岸壁陡峭，水流流速較大，在左岸修筑進(jìn)占道路難度極大，而下戧堤左岸為2號支洞口平臺處，該場地為左岸唯一的應(yīng)急備料場，亦不具備進(jìn)占條件。

3.3 截流水力學(xué)計(jì)算成果

本工程采用岸邊堆渣、雙戧單向進(jìn)占截流。根據(jù)目前岸邊堆渣后的導(dǎo)流隧洞泄流曲線、10%頻率流量838m3/s及相關(guān)實(shí)測地形資料等進(jìn)行截流水力學(xué)計(jì)算，主要截流水力學(xué)計(jì)算成果見表2。

表2 龍口水力學(xué)計(jì)算成果(Q=838m3/s)

4 截流施工準(zhǔn)備

4.1 截流材料備料

根據(jù)現(xiàn)場地形條件和確保截流時(shí)能高強(qiáng)度地拋投，將截流特殊材料的儲備料場全部規(guī)劃在上、下游圍堰施工區(qū)域附近，共規(guī)劃16個(gè)截流備料、施工場地，截流備料系數(shù)見表3。

4.2 截流道路布置

根據(jù)截流實(shí)施方案結(jié)合現(xiàn)場施工條件，在截流施工主干道道路右岸、左岸布置一條應(yīng)急通道。

本工程截流為雙戧單向立堵截流，從右往左依次推進(jìn)，右岸截流施工道路是本次截流的主要道路，保證截流干道寬15～20m，同時(shí)在上下游戧堤之間形成一個(gè)較大的回車平臺，以便于進(jìn)占車輛在上下游戧堤上的行車、倒車，方便指揮管理，提高拋投強(qiáng)度。在左岸利用場內(nèi)交通洞從2號支洞口穿出，該道路將作為左岸部分截流材料的備料道路。

表3 截流備料系數(shù)

5 截流施工

5.1 截流預(yù)進(jìn)占

5.1.1 上戧堆渣預(yù)進(jìn)占

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，為降低截流施工難度，在上戧堤軸線上、下各25m范圍堆渣填筑10m寬的平臺。

5.1.2 挑流丁壩進(jìn)占

為增加導(dǎo)流洞分流效果，在上游1號導(dǎo)流洞進(jìn)口填筑一石渣挑流丁壩。

5.1.3 截流戧堤非龍口段進(jìn)占

戧堤非龍口段進(jìn)占施工于2010年9月20日～10月20日進(jìn)行。

上游戧堤：左岸不設(shè)裹頭，右岸采用小石料預(yù)進(jìn)占20m，預(yù)留龍口寬度30m。

下游戧堤：左岸裹頭前5m采用石渣料進(jìn)占，后10m在1 486m高程以下采用大石料進(jìn)占以形成裹頭，1 486m高程以上用石渣料填鋪。右岸采用石渣料拋投預(yù)進(jìn)占10m，預(yù)留龍口寬度45m。

5.2 截流戧堤龍口段進(jìn)占

5.2.1 上戧堤進(jìn)占

上戧堤龍口段進(jìn)占于2010年10月20日8時(shí)正式開始，經(jīng)過12小時(shí)高強(qiáng)度拋投，至21日8時(shí)，上戧堤龍口寬度約16m，對應(yīng)龍口流速5.9m/s，戧堤上、下游水位落差2.57m，丁壩與上戧堤之間的水位落差0.8m。隨后采取特長大塊石串先行，中石、小石料跟進(jìn)的方式進(jìn)占，至21日18時(shí)，上戧堤龍口寬度約10m，對應(yīng)龍口流速6.8m/s，戧堤上、下游水位落差3.53m，丁壩與上戧堤之間水位的落差1.07m。此后繼續(xù)拋投大量特大塊石串，歷時(shí)4小時(shí)龍口縮窄不明顯。至22日0時(shí)，龍口寬度7.5m,上戧上下游水位落差4.89m，隨著龍口的縮窄，水位落差一直變大，到合龍時(shí)落差達(dá)到5.5m。

5.2.2 下戧堤進(jìn)占

至20日16:30時(shí)，下戧堤龍口寬度約29.9m，戧堤上、下游水位落差0.31m。隨后減緩下戧進(jìn)占速度，組織車輛開始進(jìn)行丁壩的進(jìn)占，至21日11時(shí)，下戧堤龍口寬度約24.8m，戧堤上、下游水位落差0.21m。此后因上戧堤流速湍急，水流直沖下戧堤龍口，歷時(shí)3個(gè)小時(shí)下戧堤無法進(jìn)占。此時(shí)開始丁壩進(jìn)占輔助上戧堤進(jìn)占單向立堵截流，放棄下戧進(jìn)占，下戧進(jìn)占全面停止。

5.3 丁壩進(jìn)占

20日16:30時(shí)，截流困難，上戧持續(xù)拋投進(jìn)占緩慢，拋投料損失嚴(yán)重，此時(shí)上下戧上下游水位差持續(xù)變大，由初始的2.2m增大到3.3m，上戧龍口流速達(dá)到6.5m/s，上戧水頭落差達(dá)到2.3m，水流流態(tài)為急流并且產(chǎn)生明顯的遠(yuǎn)驅(qū)水躍，上戧龍口寬度16m，導(dǎo)流洞分流比45%左右，此時(shí)進(jìn)行丁壩進(jìn)占有著至關(guān)重要的作用，即集中中小石拋投丁壩進(jìn)占，進(jìn)占順利并且迅速。至21日8時(shí)至18時(shí)，丁壩龍口寬度由38縮窄至8m，進(jìn)占效果非常好。22日0時(shí)，龍口寬度5.5m，丁壩上下游水位落差1.25m，隨著龍口的縮窄，水位落差一直變大，到合龍時(shí)落差達(dá)到2.96m。截流成功時(shí)，丁壩上游至下戧下游總的水位落差達(dá)到9.58m。

6 截流成功經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

長河壩工程截流于2010年10月20日8時(shí)開始戧堤龍口段進(jìn)占，10月22日7時(shí)成功合龍。通過本次截流總結(jié)了以下幾點(diǎn)成功經(jīng)驗(yàn)：

(1) 高度重視。截流前，業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工單位參考截流水力模型試驗(yàn)召開多次專題會，對截流設(shè)計(jì)方案、截流施工方案進(jìn)行討論研究，并邀請專家審查。

(2) 充分準(zhǔn)備。2010年10月18日完成拋投料備料工作，設(shè)計(jì)拋投量約4.28萬m3，實(shí)際儲備約9.39萬m3，備料系數(shù)達(dá)2.19。2010年10月18日截流所需設(shè)備及備用設(shè)備全部就位，且保證工況良好。提前對參與截流施工各級人員進(jìn)行技術(shù)、安全交底，并對有特殊要求的人員(堤頭作業(yè)人員、指揮員等)進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)。

(3)合理組織。截流前進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，驗(yàn)證截流關(guān)鍵程序“料場裝車→拋投料運(yùn)輸→堤頭指揮卸料→推土機(jī)散料→空車有序返回”的合理性。

(4)因地制宜：①采用移動雙戧的新思路。《雙戧立堵截流的水力控制條件研究》總結(jié)出：采用雙戧堤立堵截流的基本原則應(yīng)是,截流全過程中,上、下戧堤各自的截流最大困難度,都必須小于用單戧堤立堵的最大困難度；雙戧堤立堵截流的控制水力條件應(yīng)在保證下戧堤截流的最大難度小于單戧堤截流的最大難度的前提下,能夠壅水,達(dá)到可以改善上戧堤合龍難度的目的。②截流特殊拋投材料的合理選擇。在本工程截流過程中，上游挑流丁壩填筑對降低龍口過流量發(fā)揮了重要作用，同時(shí)特長大塊石串(前一串與后一串首尾相連)的成功應(yīng)用有效地減少了拋投物料的流失量，在合龍最困難段10～0m形成一個(gè)倒直角三角區(qū)域的高速深水泄水槽，對單塊3m3以上大塊石采用25mm的鋼絲繩將5～7塊串在一起形成15～20m長的特大塊石串，回填高速泄水槽。合龍段總共回填塊石串7 240m3。采用推土機(jī)將石串推到龍口內(nèi)，對束窄龍口寬度、降低龍口流速效果明顯，降低了截流難度。本工程最大的拋投特點(diǎn)就是，完全沒有采用人工制作的混凝土四面體，而是全部采用天然大石制作成的特大塊石串，極大地降低了工程成本。

7 結(jié)束語

長河壩工程截流屬峽谷河床地帶高流速、大落差雙戧截流。本工程截流成功對保證長河壩電站總體工期發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。截流成功當(dāng)天，從下游圍堰至上游圍堰河床段接近1 000m內(nèi)，根據(jù)對河床內(nèi)的拋投料損失情況的觀察，出乎意料的是基本上沒有見到人工截流的拋投料，河床內(nèi)呈天然砂礫石構(gòu)造，沒有大石或者串石，拋投料幾乎無損失。