大渡河安谷水電站副壩工程截流設(shè)計(jì)與施工

陳 猛，肖燦明，唐海彬

(中國水利水電第五工程局五分局，成都，610066)

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大渡河安谷水電站副壩工程截流設(shè)計(jì)與施工

陳 猛，肖燦明，唐海彬

(中國水利水電第五工程局五分局，成都，610066)

大渡河安谷水電站副壩工程，因受上游沙灣水電站下泄流量控制，且有汊河一處，其截流流量無法按照大渡河天然流量進(jìn)行選取。通過合理選擇截流流量與截流時間進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，精心組織施工，克服不利因素，實(shí)現(xiàn)了副壩截流目標(biāo)。

安谷水電站 副壩工程 截流設(shè)計(jì) 施工

1 工程概況

大渡河安谷水電站工程是大渡河干流梯級開發(fā)中的最后一級，壩址位于樂山市市中區(qū)與沙灣區(qū)接壤的安谷河段生姜坡，距上游在建沙灣水電站約35km。壩址以上集水面積76717km2，河長約1043km，河道比降1.31‰。銅街子至河口段為大渡河下游地區(qū)，集水面積為1017km2，屬四川盆地邊緣，為丘陵寬谷區(qū)，河谷開闊，水流平緩，階地甚多，沙洲和岔流極為發(fā)育，河道平均坡降僅1.3‰。

安谷水電站副壩工程采用汛期圍堰擋水、右岸河道分流的導(dǎo)流方式。一期上游圍堰采用土石圍堰結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)枯期擋水標(biāo)準(zhǔn)，通過寬頂堰流水力計(jì)算，枯期圍堰頂設(shè)計(jì)高程為399.0m，河床平均高程為393.5m，平均堰高5.5m，設(shè)計(jì)堰頂寬為8.0m。堰體主要由小粒徑砂礫料填筑而成，參照《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊》中級配不很好的砂礫料圍堰坡比，設(shè)計(jì)本圍堰上游坡比為1∶1.75，下游為1∶1.5。圍堰防滲采用粘土斜墻和粘土鋪蓋防滲，堰面采用在迎水面鋪設(shè)60cm厚的導(dǎo)向槽防護(hù)。

本工程截流施工具有以下特點(diǎn)：

⑴截流戧堤填筑料大料缺乏。因本工程截流材料缺乏大石料，粒徑均為40cm以下的小石，截流施工拋投材料流失量較大，因此拋投特殊材料工程量較大；

⑵上游沙灣電站控制流量有時間制約。當(dāng)沙灣電站下泄流量大于1000m3/s時，砂卵石流失較大，戧堤預(yù)進(jìn)占施工困難，流量小于1000m3/s時，方可進(jìn)行預(yù)進(jìn)占施工。如何在有效的時間內(nèi)完成截流戧堤預(yù)進(jìn)占及龍口施工是關(guān)鍵；

⑶截流施工在夜間進(jìn)行。因受上游沙灣水電站下泄流量控制，夜間發(fā)電量小，所以截流選擇夜間作業(yè)。截流施工應(yīng)考慮夜間作業(yè)需要，合理安排工人作息時間，提高作業(yè)效率。

2 截流設(shè)計(jì)

2.1 截流標(biāo)準(zhǔn)及截流時間

根據(jù)招標(biāo)文件水文、氣象資料和施工總進(jìn)度安排，截流時間初定在2013年10月10日，截流進(jìn)占流量Q=1000m3/s，截流流量暫定為Q=500m3/s。屆時根據(jù)實(shí)測水情資料和預(yù)報水情資料情況，再作進(jìn)一步調(diào)整。

本工程截流方式選擇單戧堤立堵截流法，依據(jù)施工總布置，由右岸向左岸進(jìn)占截流，龍口位置布置在上游圍堰靠左側(cè)處。

2.2 截流戧堤斷面設(shè)計(jì)

截流施工擋水標(biāo)準(zhǔn)考慮沙灣水電站發(fā)電下泄流量，暫定為2200m3/s，經(jīng)計(jì)算最大水位為397.9m，考慮安全超高，截流時戧堤頂高程為398.5m。根據(jù)拋投料的自然休止角，確定戧堤上下游邊坡為1∶1.5，堤頭邊坡采用1∶1.3～1∶1.5。截流戧堤頂寬設(shè)計(jì)為12.0m，截流戧堤長約95m。

圖1 截流戧堤施工平面布置

2.3 截流水力學(xué)計(jì)算

按照龍口為梯形或三角形過水?dāng)嗝娴膶掜斞?，用簡化寬頂堰公式?jì)算龍口泄流量。計(jì)算水位時，假設(shè)龍口上游水位與右岸分流河道進(jìn)口水位相等，其總泄流量為截流設(shè)計(jì)流量500m3/s，以此上游水位求出截流龍口泄流量及右岸河道分流量。

假設(shè)龍口的口門寬度，取不同水位計(jì)算出龍口的下泄流量，并繪制上游水位～龍口流量關(guān)系曲線。

Q龍=mB(2g)1/2H02/3

式中：Q龍——龍口泄流量(m3/s)；B——龍口平均過水寬度(m)；m——流量系數(shù)，取0.30；Ho——龍口上游水頭(m)。

再計(jì)算右岸分流河道泄流曲線。將龍口泄水曲線及右岸分流河道泄流曲線組合為聯(lián)合泄流曲線，按截流設(shè)計(jì)流量，求出不同龍口寬度的泄流量及相應(yīng)的上游水位；由龍口分流量及上游水位計(jì)算其龍口水力學(xué)指標(biāo)。計(jì)算成果見表1。

表1 放水閘截流水力計(jì)算成果(Q=500m3/s)

2.4 截流材料

截流戧堤拋投料種類，包括主要砂礫料(粒徑<0.4m)、中石(0.4m～0.8m)、大石(0.8m～1.0m)等，為確保進(jìn)占過程中的高強(qiáng)度拋投，需提前備料。影響備料數(shù)量的主要因素，有戧堤實(shí)際拋投斷面、拋投流失量、覆蓋層沖刷量以及備料堆存和運(yùn)輸損耗量等。參照已建類似工程的截流資料，本標(biāo)截流備料系數(shù)取1.2～1.5。截流戧堤所需各進(jìn)占料拋投量及備料見表2。

本工程主要為河灘料，粒徑40cm以上的中石和大石料嚴(yán)重缺乏，截流材料主要為砂卵石料、混凝土塊及拆除導(dǎo)向槽混凝土塊。

砂卵石料主要采用沫東壩前期未疏浚到設(shè)計(jì)高程的砂卵石料和在回填造地區(qū)取料，以滿足截流戧堤填筑的需要?；靥钤斓貐^(qū)運(yùn)距約300m。

由于場地受限，選取沫東壩作為混凝土塊預(yù)制、堆放場地?；炷翂K的用量，根據(jù)水下地形和圍堰推進(jìn)方式，按區(qū)域進(jìn)行了估算。

龍口區(qū)：龍口區(qū)長約80m，根據(jù)估算流速將達(dá)到3.27m/s～6.34m/s，需用混凝土塊鋪底、護(hù)腳，再布置一排品字形的2層預(yù)制混凝土塊進(jìn)行挑流后才能用砂卵石跟進(jìn)?？紤]損失系數(shù)，混凝土塊(1.5m×1.5m×1.5m)用量為1538塊。

導(dǎo)向槽混凝土塊：本次截流大石可采用防滲墻拆除導(dǎo)向槽塊，預(yù)計(jì)工程量450m3。

鋼筋石籠：鋼筋采用φ25mm的螺紋做主筋，φ14mm圓鋼作為分隔，間距12cm，用于防護(hù)沫東壩河堤的裹頭及護(hù)底，考慮損失系數(shù)，共計(jì)需用200個鋼筋籠。

3 截流施工

3.1 截流施工程序(見圖2)

圖2 截流施工程序

3.2 截流施工布置

根據(jù)截流實(shí)施方案，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，截流施工道路利用沫東壩防洪堤堤頂，路面寬10m。至備料場各取料點(diǎn)道路要保證雙車道和施工設(shè)備能自由出入，裝料面要有足夠的設(shè)備裝卸循環(huán)場地。截流前，各條道路需進(jìn)行整修、平整，確保路面暢通無阻，并有道路維護(hù)小組專門維護(hù)。

截流現(xiàn)場設(shè)節(jié)流指揮中心，指揮中心設(shè)有高音喇叭、對講機(jī)、指揮旗等截流指揮工具。戧堤下游側(cè)設(shè)作業(yè)平臺，作為節(jié)流車輛、推土機(jī)停放、錯車和人員工作場地。

3.3 裹頭防護(hù)和護(hù)底措施

龍口位于砂卵石覆蓋層上，河底砂卵石造成一定的沖刷，因此本工程截流時考慮對龍口最后20m采用鋼筋石籠護(hù)底防沖防護(hù)，護(hù)底范圍為戧體軸線上下游10m。鋼筋籠由月兒壩鋼筋加工廠預(yù)制，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，安裝到位后裝填大卵石，鋼筋籠之間采用綁扎連接。裹頭施工需在肖家河橋上游側(cè)沿防洪堤修一條臨時施工道路形成左岸裹頭，裹頭施工道路長約200m，裹頭施工道路砂卵石填筑量約1100m3。

3.4 非龍口段預(yù)進(jìn)占施工

預(yù)進(jìn)占拋投料采用20t自卸汽車運(yùn)輸，端進(jìn)法拋填，使大部分拋投料直接拋入水中，推土機(jī)在堤頭配合施工。

非龍口段進(jìn)占拋投材料，一般用砂礫料全斷面拋投施工，進(jìn)占過程中，如發(fā)現(xiàn)堤頭拋投料有流失現(xiàn)象，則在堤頭進(jìn)占前沿上游先拋投一部分石料形成挑角，在其保護(hù)下再將砂礫拋填在戧堤軸線的下游側(cè)，必要時采用拋投六面體、導(dǎo)向槽或鋼筋籠進(jìn)行裹頭保護(hù)。

3.5 龍口段合龍施工

全斷面推進(jìn)。在水力條件較好，流速較小時，用一般材料可滿足。此種方式主要用于戧堤預(yù)進(jìn)占階段和最后合龍階段，其水流流速較小。

凸出上游挑角法。即在堤頭上游側(cè)與戧堤軸線成30°～45°角的方向，用六面體拋填形成一個防沖磯頭，在防沖磯頭下游側(cè)形成回流區(qū)，中小石、砂礫混合料尾隨進(jìn)占。此方式主要在龍口進(jìn)占時采用，此時龍口水流流速和單寬流量較均大，用一般渣料拋投易流失，上挑角鋼筋籠和鋼筋籠串拋投，將其穩(wěn)定在堤頭上游坡角，挑開水流，下游側(cè)堤頭拋投快速跟進(jìn)，直至最終合龍。

堤頭拋投擬采用直接拋投、集中推運(yùn)拋投和卸料沖砸拋投3種方法：(1)直接拋投。當(dāng)?shù)填^邊坡較為穩(wěn)定，自卸汽車能靠近堤頭端時，自卸汽車運(yùn)料至堤頭后直接卸料入水中，少量積渣由推土機(jī)配合推入水中；(2)集中推運(yùn)拋投。在堤頭坍塌較嚴(yán)重，自卸汽車不便靠近或積渣需集中拋入水中時，自卸汽車卸料在堤頭頂上，由大功率推土機(jī)將渣料集中推入水中；(3)卸料沖砸拋投。當(dāng)?shù)填^邊坡較為穩(wěn)定，自卸汽車能靠近堤頭端時，將特殊材料從自卸汽車上直接卸料拋入水中，沖砸拋投。

龍口拋投方式與方法，根據(jù)龍口水力學(xué)特征結(jié)合堤頭推進(jìn)實(shí)際情況，由堤頭有截流經(jīng)驗(yàn)的指揮員進(jìn)行調(diào)整。

3.6 截流強(qiáng)度分析

龍口拋投強(qiáng)度與戧堤前沿能同時布置的拋投點(diǎn)成正比，可以用以下公式表示：

S=mnVp

式中：S—為龍口拋投強(qiáng)度(m3/h)；m—一個堤頭的同時卸車點(diǎn)，頂寬16m時按3個計(jì)；n—一個卸車點(diǎn)上的小時卸車數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取20或12車/h；V—每輛汽車一次裝運(yùn)量，20t汽車一次裝運(yùn)按15m3砂卵石或2個混凝土塊計(jì)；P—同時進(jìn)占堤頭數(shù)，1個。

根據(jù)以上公式及所取參數(shù)，戧堤堤頭平均拋投強(qiáng)度約720m3/h。根據(jù)計(jì)算，考慮流失系統(tǒng)及備料系數(shù)，龍口合龍總拋投量14629m3，計(jì)劃約20.5h合龍。

3.7 防堤頭塌滑與安全進(jìn)占措施

3.7.1 戧堤穩(wěn)定情況的觀察與判斷

為了確保安全施工，避免發(fā)生大規(guī)模塌滑造成人、車落水事故，正確判斷拋投料的穩(wěn)定性十分重要，可從以下幾個方面進(jìn)行判斷：

(1)從堤頭縱向邊坡的坡比變化判斷。堤頭縱向坡度在正常無流失的情況下約為1∶1.3左右，當(dāng)縱向坡比逐漸變陡達(dá)到1∶1或更陡時，將會發(fā)生坍塌；

(2)從流態(tài)變化判斷。采用上挑角進(jìn)占，若拋投料能在水中站穩(wěn)，這時必然形成急流并挑出去，在挑角下游形成回流區(qū)，而且有小跌水現(xiàn)象。當(dāng)拋投料粒徑較大而水深較淺時，跌水現(xiàn)象更加明顯，若填料拋投下去后，見到跌水順?biāo)饔缮隙乱苿?，則說明拋投的塊體正被急流沖走；

(3)從進(jìn)占速度判斷。根據(jù)戧堤的實(shí)際斷面，如拋填一定數(shù)量的填料不見堤頭向前延伸，則說明拋投的塊體正被急流沖走；

(4)從堤頭附近的情況判斷。當(dāng)?shù)填^附近范圍內(nèi)出現(xiàn)裂縫，縫寬逐漸增大時，表明堤頭有失穩(wěn)定現(xiàn)象；如果堤頭部位高程在逐漸下降，說明堤頭發(fā)生“沉陷”，及時改變拋投方式。

3.7.2 安全進(jìn)占技術(shù)措施

在條件允許的情況下，盡量采取全斷面整體推進(jìn)，在采取上挑角進(jìn)占時，一方面要盡量減少挑出的長度，另一方面要緊跟全斷面補(bǔ)拋。

采用自卸汽車直接拋填時，控制自卸汽車距堤頭不少于2.5m卸料；采用堤頭集料，推土機(jī)趕料回填時，自卸車距堤頭前沿邊線5m卸料。戧堤側(cè)邊2.5m為安全警戒距離，此范圍內(nèi)不允許停放任何機(jī)械設(shè)備，堤頭指揮人員也不允許在此范圍內(nèi)滯留。

在堤頭、堤側(cè)以及各危險部位分別設(shè)置安全警示牌，堤頭指揮人員穿救生衣，現(xiàn)場準(zhǔn)備救生圈，加強(qiáng)專職安全員巡視工作。

4 截流重難點(diǎn)及其措施

4.1 截流進(jìn)占填筑料中大料缺乏

本次截流進(jìn)占填筑料的主要來源為河道開挖砂卵石和渣場的棄渣、預(yù)制混凝土塊以及部分拆除的導(dǎo)向槽，粒徑40cm以上的大料缺乏。針對填筑大料缺乏，擬先采用預(yù)制混凝土塊挑流、鋪底，砂卵石跟進(jìn)填筑。

4.2 截流設(shè)計(jì)流量選擇較為保守

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際水情觀測結(jié)果，今年大渡河流量較往年偏小，本次截流設(shè)計(jì)流量選擇500m3/s較為保守。截流戧堤擋水標(biāo)準(zhǔn)可考慮2200m3/s確定戧堤擋水頂高程，但龍口截流流量可選擇沙灣發(fā)電時下泄流量較小時進(jìn)行。

4.3 需加強(qiáng)運(yùn)輸設(shè)備，保證拋投強(qiáng)度

本次截流因左岸放水閘截流處原始河床底高程較右岸分流河道低，龍口合攏時水頭落差較大，因此流速較大，需拋投大量預(yù)制混凝土塊?？紤]混凝土塊吊裝及卸車速度影響，且平均運(yùn)輸效率為2塊/車，為了保證龍口拋投強(qiáng)度，需加強(qiáng)運(yùn)輸強(qiáng)度，配備足夠的自卸汽車數(shù)量。

4.4 右岸分流河道底高程未到達(dá)汛前疏浚高程

因沫東壩汛前疏浚河道未達(dá)到設(shè)計(jì)高程，造成右岸分流河道河底抬高，右岸河道分流不理想，可在截流前采取右岸過流部分河道疏浚，為截流施工創(chuàng)造有利條件。

5 結(jié)語

安谷水電站副壩工程截流段河床地形地質(zhì)條件復(fù)雜，汊河較多，截流水力計(jì)算難度較大，且為夜間施工。要確保順利截流，關(guān)鍵是在科學(xué)指導(dǎo)的前提下，做好一切準(zhǔn)備工作，確保萬無一失。

肖燦明(1984.07-)，男，四川資陽人，總工，工程師，從事水利水電工程施工和管理工作；

陳 猛(1979.02-)，男，四川閬中人，分局副局長，工程師，從事水利水電工程施工和管理工作；

唐海彬(1981.06-)，男，四川南充人，項(xiàng)目副經(jīng)理，工程師，從事水利水電工程施工和管理工作。

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