烏江沙沱水電站二期截流設(shè)計與施工

謝豪 袁端

摘 要：沙沱水電站二期截流通過分析上游來水量合理選擇截流標(biāo)準(zhǔn)及截流流量，結(jié)合實(shí)際地形地質(zhì)條件確定截流方式、戧堤布置及龍口位置，通過截流水力學(xué)計算合理對龍口進(jìn)行分區(qū)和備料，截流施工方案、準(zhǔn)備工作、技術(shù)措施和安全措施科學(xué)合理，確保了工程二期截流的順利實(shí)施，為相關(guān)工程提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：沙沱水電站；二期截流；戧堤；設(shè)計；施工

1 工程概況

沙沱水電站位于貴州省沿河縣城上游約7km處，距烏江口250.5km，是烏江干流規(guī)劃的第九個梯級，壩址以上控制流域面積為54508km2，下游有彭水水電站，上游為思林水電站，具有以發(fā)電為主，其次為航運(yùn)、兼顧防洪等綜合開發(fā)任務(wù)。

電站為二等大（2）型工程，裝機(jī)容量1120MW（4×280MW），正常蓄水位365.00m，總庫容9.21億立方米，樞紐由碾壓混凝土重力壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、壩身溢流表孔及右岸通航建筑物組成，壩頂高程371.00m，最大壩高101m，壩頂全長631m。

由于壩址處河床寬闊、枯期河床中有礁灘出露，碾壓混凝土壩型也便于實(shí)施壩身過流，通過分析比較，確定本工程采用分期導(dǎo)流方式，利用礁灘修筑縱向混凝土圍堰，前期由左岸河床泄流，中、后期洪水由壩體導(dǎo)流底孔及缺口聯(lián)合下泄。

2 自然條件

2.1 水文氣象

本流域內(nèi)雨量豐沛，沙沱壩址以上流域多年平均降水量為1091mm，5～10月為汛期，大暴雨多發(fā)生在6～7月份，洪水過程線以復(fù)峰和雙峰居多。本流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，晝夜溫差大，常形成夜雨。多年平均氣溫17.5℃，實(shí)測極端最高氣溫42.0℃，實(shí)測極端最低氣溫-5.4℃。

表1 烏江沙沱水電站不同頻率分期洪水成果

2.2 地形地質(zhì)

壩址河段地形較寬闊，河谷呈不對稱的“V”型谷，枯期河水面寬90～150m。河谷兩岸高程320～335m均發(fā)育Ⅰ級侵蝕階地，壩址區(qū)連續(xù)出露奧陶系桐梓組至志留系龍馬溪群地層，河水面至320m高程為灰?guī)r河谷陡岸，Ⅰ級階地以外為湄潭組碎屑巖形成的侵蝕低山，第四系覆蓋層分布于兩岸Ⅰ級階地和河床深槽。

3 二期截流設(shè)計

3.1 截流時間及截流標(biāo)準(zhǔn)

由于受到2008年初凝凍天氣及2008年11月份汛末洪水影響，工程施工進(jìn)度嚴(yán)重滯后，未能達(dá)到2008年11月左岸二期截流面貌要求，根據(jù)工程實(shí)際施工面貌，擬定二期截流時間為2009年4月。沙沱壩址上游思林水電站首臺機(jī)組將于2009年4月初發(fā)電，因此沙沱水電站二期截流時只需考慮思林水電站單臺機(jī)組發(fā)電流量加思林～沙沱壩址區(qū)間相應(yīng)重現(xiàn)期流量作為截流設(shè)計流量。

二期橫向圍堰型式為碾壓混凝土圍堰，按重力式設(shè)計，堰體材料為C15三級配混凝土。上游圍堰堰頂高程308.00m，下游圍堰堰頂高程301.00m。

由于4月份已經(jīng)進(jìn)入汛前漲水期，截流后戧堤肩負(fù)碾壓混凝土圍堰施工的擋水任務(wù)，且若截流失敗將對工程施工總進(jìn)度造成較大影響，故本工程采用4月10年一遇月平均流量作為二期截流設(shè)計流量，相應(yīng)流量為670m3/s（思林水電站單臺機(jī)組發(fā)電流量468m3/s，加思林～沙沱壩址區(qū)間4月10年一遇月平均流量202m3/s）。

3.2 截流方式

立堵是傳統(tǒng)的截流方式，已積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，且截流不需架設(shè)浮橋或棧橋，截流準(zhǔn)備工作較簡單，造價較低。截流戧堤布置在上游，合龍拋投的大塊體不需拆除，截流戧堤還可兼作混凝土圍堰施工時的擋水圍堰；若截流戧堤布置在下游，因電站運(yùn)行要求戧堤須全部拆除，而水下拆除困難，且增加了基坑初期的排水量。故本工程二期采用上游單戧立堵法截流。

3.3 截流戧堤設(shè)計

龍口設(shè)在縱向混凝土圍堰左側(cè)，由左岸向右岸進(jìn)占。戧堤設(shè)計斷面為梯形，戧堤頂寬15m，戧堤總長70m，預(yù)留龍口頂寬度35m，截流戧堤閉氣后擋水水位為296.65m，考慮戧堤在合龍后立即加寬加高，為減少截流拋投量，戧堤頂高程定為297.00m，上下游邊坡均為1：1.5，戧堤堤頭設(shè)計邊坡為1：1.25。

3.4 截流水力學(xué)計算

二期截流控制條件最大落差為4.81m，最大平均流速為5.82m/s，最大單寬流量為20.05m3/s.m，最大單寬功率為91.81t.m/s.m。龍口水力學(xué)指標(biāo)成果見表2。

3.5 截流龍口分區(qū)及拋投材料

針對各進(jìn)占拋投材料的特性，把截流戧堤分成預(yù)進(jìn)占區(qū)、龍口Ⅰ區(qū)、龍口Ⅱ區(qū)和龍口Ⅲ區(qū)，各區(qū)的布置、控制水力指標(biāo)及拋投材料如下：

預(yù)進(jìn)占區(qū)：戧堤進(jìn)占長度35m，龍口頂部寬度35m，龍口最大落差3.16m，平均流速3.06m/s，單寬流量13.21m3/s.m，單寬功率41.74t.m/s.m。拋投材料采用中石和普通石渣，裹頭采用大石進(jìn)行保護(hù)，該區(qū)拋投量為1.11萬立方米。

龍口Ⅰ區(qū)：戧堤進(jìn)占長度10m，龍口頂部寬度25m，龍口最大落差3.65m，平均流速3.72m/s，單寬流量15.46m3/s.m，單寬功率56.43t.m/s.m。拋投材料采用大石、中石和石渣，局部需用特大塊石，該區(qū)拋投量為0.36萬立方米。

龍口Ⅱ區(qū)：戧堤進(jìn)占長度10m，龍口頂部寬度15m，龍口最大落差4.22m，最大平均流速4.59m/s，單寬流量18.22m3/s.m，單寬功率76.90t.m/s.m。拋投材料采用大石、特大石、局部用塊石鋼筋籠或鋼筋籠串，該區(qū)拋投量為0.29萬立方米。

龍口Ⅲ區(qū)：戧堤進(jìn)占長度15m，龍口頂部寬度15～0m，龍口最大落差4.81m，平均流速5.82m/s，單寬流量20.05m3/s.m，單寬功率91.81t.m/s.m。拋投材料采用大石、特大石、塊石鋼筋籠和鋼筋籠串，該區(qū)拋投量為0.19萬立方米。

截流最困難區(qū)為龍口過水?dāng)嗝鎻奶菪芜^渡到三角形（龍口寬度為20～5m）時，此段拋投材料以特殊材料為主。特殊材料按照龍口最大平均流速5.82m/s來確定，選取容易制備和運(yùn)輸?shù)膲K石鋼筋籠作為拋投體大料，鋼筋籠尺寸為2.0×1.0×1.0m，重量約3.2t；鋼筋籠串為2個一串和3個一串，主骨架鋼筋用12#鉛絲綁扎牢固。

4 二期截流施工

4.1 截流備料

截流拋投材料共計1.95萬立方米，主要利用工程開挖石渣料，全部堆放在左岸上游水淹壩棄渣場，備料時要求分區(qū)堆放，分為普通石渣場（堆料10940m3）、中石場（堆料5180m3）、大石場（堆料2500m3）、特大石場（堆料590m3）及鋼筋籠場，以方便運(yùn)輸。戧堤進(jìn)占拋投料使用情況見表3。

4.2 截流施工機(jī)械設(shè)備

自卸汽車（20～25t、30輛）用于運(yùn)輸塊石料、特大石料；裝載機(jī)（3～6m3、4臺）及挖掘機(jī)（4m3，4臺）用于塊石料、石渣裝車；推土機(jī)（180～320HP、3臺）用于堤頭料場配合、公路修整；汽車起重機(jī)（20～40t、3輛）用于起吊鋼筋籠串、鋼筋籠、特大石；振動碾（15t、2臺）用于戧堤面碾壓。

4.3 預(yù)進(jìn)占戧堤施工

在截流前工程驗(yàn)收合格后，即開始預(yù)進(jìn)占。在左岸上游水淹壩棄渣場由挖掘機(jī)挖裝至自卸汽車，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至上游截流戧堤，由推土機(jī)在戧堤頂推平進(jìn)占。戧堤上、下游坡比控制在1：1.5，堤頭坡比均控制在1：1.25，堤頂高程控制在297.00m，預(yù)進(jìn)占施工結(jié)束，堤頭用大石進(jìn)行裹頭保護(hù)。

4.4 龍口合龍施工

龍口進(jìn)占段采用上游挑角法拋投以減少流失，在戧堤上游角集中拋投大料（特大石、鋼筋籠）使戧堤上游角凸入龍口進(jìn)口，將水流沿戧堤前沿挑出一部分，使戧堤堤頭中部和下游角形成流速較小的回流區(qū)，然后便可在堤頭中部和下游角拋投粒徑較小的石料而不致流失。拋投料由自卸汽車運(yùn)到戧堤后在預(yù)進(jìn)占段的回車平臺調(diào)頭，沿戧堤上游倒退至龍口，并根據(jù)料徑大小在現(xiàn)場指揮人員的指引下卸在進(jìn)占端上、中、下不同部位，卸料后沿戧堤下游駛出，未入龍口的拋投料由堤頭推土機(jī)輔助推入。進(jìn)占方向推進(jìn)長度控制在2m左右，如此循環(huán)前進(jìn)直到合龍。在龍口困難區(qū)段，發(fā)現(xiàn)有大料難以穩(wěn)定時則采用鋼筋籠串進(jìn)行拋投，并加大拋投強(qiáng)度，以快速通過困難區(qū)段。

截流施工時所使用的20～25t自卸汽車平均按12.5m3裝料，平均裝車時間6min，運(yùn)距按平均1.7km計，往返以20km/h的速度行駛，卸料時間按2min，汽車一次工作循環(huán)時間為18.2min。戧堤頂寬15m，可以允許2～3輛車同時卸料，堤頭卸料汽車平均車次60次/h，龍口的平均拋投強(qiáng)度750m3/h，預(yù)計合龍時間約11h。上游龍口合龍后，隨即進(jìn)行截流戧堤迎水面的粘土鋪蓋鋪筑，使基坑盡快閉氣。

4.5 截流預(yù)案

當(dāng)截流期間遇到不利的水力條件時，可采取雙戧立堵截流或增加拋投強(qiáng)度進(jìn)行處理。

4.6 截流準(zhǔn)備工作

4.6.1 截流水情預(yù)報及水文觀測。截流前要求作壩址以上流域的中、長期氣象預(yù)報和壩址處中、短期的水文預(yù)報，預(yù)報出截流期間壩址的來流量，有無后期洪水發(fā)生。在導(dǎo)流底孔進(jìn)出口、龍口上游河床、戧堤沿線、龍口下游河床設(shè)置標(biāo)尺進(jìn)行水位觀測。截流期間應(yīng)通過壩址上、下游所設(shè)水文站測出截流時的實(shí)際來流量。龍口測速用簡易浮標(biāo)法進(jìn)行。

4.6.2 截流施工場地及交通管理。截流前應(yīng)對所有截流施工場地進(jìn)行整平，滿足機(jī)械設(shè)備施工要求，對河床危險地帶設(shè)置警戒線。對截流施工公路應(yīng)進(jìn)行清理，保障交通順暢。

4.6.3 截流料場管理。對截流材料應(yīng)按截流設(shè)計分區(qū)堆放，規(guī)劃好進(jìn)出堆料場的道路，以便截流時根據(jù)進(jìn)占實(shí)際情況供料。

4.6.4 截流指揮調(diào)度。加強(qiáng)截流施工的組織指揮工作，應(yīng)成立施工單位為主，業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理等單位參加的統(tǒng)一的截流指揮機(jī)構(gòu)，使所有命令得到切實(shí)執(zhí)行。

4.6.5 其它準(zhǔn)備措施。（1）切實(shí)作好導(dǎo)流底孔的分流工作，一期上、下游土石圍堰拆除滿足設(shè)計要求，使導(dǎo)流底孔達(dá)到設(shè)計要求的分流能力。（2）安排進(jìn)行截流施工的實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，檢查施工機(jī)械聯(lián)合作業(yè)的配套能力、施工人員的操作技術(shù)、組織指揮系統(tǒng)、后勤保障能力等項(xiàng)目，確保截流成功。

4.7 截流施工技術(shù)措施

（1）按龍口進(jìn)占先后順序，分為預(yù)進(jìn)占區(qū)——龍口I區(qū)——龍口II區(qū)——龍口III區(qū)。（2）預(yù)進(jìn)占區(qū)作為截流施工平臺，應(yīng)滿足40×20m2的施工場地，控制高程為297.00m。預(yù)進(jìn)占區(qū)施工在截流前2～3d完成，主要項(xiàng)目有：形成截流施工平臺、場地平整、龍口邊坡進(jìn)行大塊石保護(hù)、布置機(jī)械設(shè)備位置、在平臺邊緣地帶設(shè)置小紅旗警示，并有安全指揮員全天值班。預(yù)進(jìn)占區(qū)填筑料為土石渣混合料，粒徑控制在0.2～0.5m，其中龍口大塊石護(hù)坡要求塊石粒徑大于0.7m。（3）龍口I區(qū)：堤頂寬度15m，能滿足2～3輛20t自卸汽車同時進(jìn)行拋投。該區(qū)填筑料控制粒徑，中石0.4m

4.8 截流施工安全措施

（1）戧堤上指揮投料人員和推土機(jī)手要穿救生衣。（2）戧堤上備有三組φ24鋼絲繩并配10t鎖扣，一旦發(fā)生汽車熄火等故障，戧堤下沉等情況時，用推土機(jī)牽拉施救。（3）全部施工機(jī)械和人員要有專門編號標(biāo)志，以利現(xiàn)場指揮。（4）從料場到戧堤道路全線都要有明顯的安全指示，警示標(biāo)志。安全員站崗監(jiān)督，戧堤上、下游邊用堆渣限制汽車行走的安全線。（5）準(zhǔn)備測量救護(hù)船及足夠的救生器具，有水性好的救護(hù)人員和安全員。（6）保證截流時的人員施工安全，在上、下游面準(zhǔn)備1～2條橡皮艇作為備用，并在截流戧堤設(shè)2～3個潛水員，地面上設(shè)立救護(hù)車及醫(yī)務(wù)人員。

5 結(jié)束語

沙沱水電站二期截流通過分析上游來水量合理選擇截流標(biāo)準(zhǔn)及截流流量，結(jié)合實(shí)際地形地質(zhì)條件確定截流方式、戧堤布置及龍口位置，通過截流水力學(xué)計算合理對龍口進(jìn)行分區(qū)和備料，截流施工方案、準(zhǔn)備工作、技術(shù)措施和安全措施科學(xué)合理，確保了工程二期截流的順利實(shí)施，為相關(guān)工程提供了借鑒。

作者簡介：謝豪（1984-），男，廣西羅城縣人，工程師，主要從事水利水電工程施工組織設(shè)計工作。

袁端（1984-），女，湖北英山縣人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作。