蘇洼龍水電站截流設(shè)計(jì)與施工

薛 寶 臣， 王 劍 濤， 趙 萬 青， 何 竹 葉， 郭 興

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

1 工程概況

蘇洼龍水電站是金沙江上游河段13個規(guī)劃梯級電站的第10 級，工程樞紐主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸溢洪道、右岸泄洪放空洞、左岸引水系統(tǒng)、左岸地面廠房等組成。

工程施工導(dǎo)流采用圍堰一次攔斷河流、導(dǎo)流隧洞與永久泄洪放空洞聯(lián)合泄流、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流隧洞布置在右岸，洞身為城門洞型，斷面尺寸為15 m×19 m(寬×高)，洞長896.53 m。上、下游圍堰采用土石圍堰，上游圍堰最大高度50 m，下游圍堰最大高度15 m，均采用塑性混凝土防滲墻+土工膜防滲。

蘇洼龍水電站導(dǎo)流隧洞于2015年11月開工，2017年11月21日大江截流，計(jì)劃2020年10月底下閘蓄水，2020年12月底首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

2 截流特點(diǎn)

2.1 截流水力學(xué)指標(biāo)高

蘇洼龍水電站設(shè)計(jì)截流流量693 m3/s，根據(jù)截流水力學(xué)計(jì)算及模型試驗(yàn)成果，截流最大落差5.48 m，最大平均流速5.13 m/s，局部最大流速7～8 m/s，屬大落差、高流速截流，截流難度大。

2.2 導(dǎo)流洞分流條件差

導(dǎo)流洞進(jìn)口與戧堤之間河床段地形為陡坡，導(dǎo)流洞進(jìn)口明渠內(nèi)部分棄渣侵占了過流斷面，造成導(dǎo)流洞分流比增長緩慢，導(dǎo)流洞分流條件差。

2.3 龍口處流速分布復(fù)雜

截流前龍口處河道主流方向與戧堤軸線呈約60°角，隨著戧堤進(jìn)占的不斷推進(jìn)，主流與戧堤軸線夾角逐漸由60°向90°靠近，左、右戧堤邊坡、上坡角、下坡角的流速分布復(fù)雜，需針對性的選擇進(jìn)占方式和拋投材料。

2.4 河床覆蓋層深厚 抗沖能力較低

蘇洼龍電站壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，最深達(dá)85 m，主要由六個大層及三個透鏡體構(gòu)成，其中第二層為低液限粘土層，抗沖能力差，一旦河床在截流過程中沖坑深度達(dá)到該層，會大大增加截流的難度。

2.5 拋投強(qiáng)度高

截流戧堤設(shè)計(jì)拋投量為6.59萬m3，小時最大拋投強(qiáng)度約1 277 m3/h。與國內(nèi)同等規(guī)模工程相比，截流施工強(qiáng)度較高，需制定詳細(xì)、有效的截流施工規(guī)劃方案。

3 截流設(shè)計(jì)

3.1 截流時段選擇

蘇洼龍水電站采用11月上旬、11月中旬、11月下旬3個時段按P=10%旬平均流量，以單戧堤立堵截流為代表，進(jìn)行截流時段選擇?？紤]導(dǎo)流隧洞進(jìn)口圍堰存在拆除不徹底的可能性，截流水力學(xué)計(jì)算時分別對導(dǎo)流隧洞進(jìn)口圍堰完全拆除和圍堰殘余2 m高巖埂兩種工況下進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)截流水力學(xué)計(jì)算成果，并考慮截流難度及截流后上游圍堰施工進(jìn)度計(jì)劃，截流時段選擇在11月中旬，截流標(biāo)準(zhǔn)采用旬平均P=10%，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為693 m3/s。

3.2 截流方式

根據(jù)水力學(xué)指標(biāo)、截流備料場地和施工道路條件，并考慮上、下游圍堰之間河床段坡降較大，下游圍堰布置下戧堤對降低截流水力學(xué)指標(biāo)的效果不明顯，本工程采用從左岸向右岸進(jìn)占的單戧堤立堵截流方式。

3.3 戧堤布置與設(shè)計(jì)

3.3.1 戧堤位置選擇

綜合考慮圍堰的地形、交通條件，截流戧堤中心線與上游圍堰軸線平行布置，戧堤布置于防滲墻下游側(cè)，距離防滲墻軸線40 m。

3.3.2 戧堤斷面設(shè)計(jì)

戧堤頂高程按Q=693 m3/s(11月中旬10年一遇旬平均流量)進(jìn)行設(shè)計(jì)，截流閉氣后堰前水位為2 389.81 m，戧堤頂高程為2 392.00 m。戧堤按梯形斷面設(shè)計(jì)，上、下游坡比為1∶1.5，端頭坡比為1∶1.3?？紤]滿足3～4輛20 t自卸汽車同時拋投作業(yè)，戧堤頂寬為25 m。

3.3.3 龍口位置及寬度選擇

考慮本工程截流備料場地和截流施工道路均位于右岸，戧堤附近天然河道流速主流集中在左岸等因素，龍口布置在河床左岸。預(yù)進(jìn)占選擇在11月上旬進(jìn)行，采用11月上旬10年一遇旬平均流量Q=845 m3/s設(shè)計(jì)。根據(jù)截流水力學(xué)模型試驗(yàn)量測的流量Q=845 m3/s下戧堤處天然河道流速分布，左岸預(yù)進(jìn)占長度13 m時，堤頭流速約3.15 m/s，確定左岸預(yù)進(jìn)占長度13 m。右岸預(yù)進(jìn)占長度以右岸預(yù)進(jìn)占堤頭流速不超過3 m/s控制，根據(jù)截流水力學(xué)計(jì)算和模型試驗(yàn)成果，右戧堤預(yù)進(jìn)占95.21m，確定龍口寬度83 m。

表1 龍口段特征水力參數(shù)

3.4 龍口分區(qū)設(shè)計(jì)

根據(jù)合龍過程中不同寬度龍口的流速、落差及單寬功率等水力學(xué)指標(biāo)，本工程龍口段進(jìn)占共劃分為3個區(qū)，以便于施工時控制拋投材料及采用適當(dāng)?shù)膾佂都夹g(shù)。

3.4.1 Ⅰ區(qū)(龍口寬度83 m～53 m)

進(jìn)占難度整體不大，龍口平均流速2.02 m/s～4.10 m/s，進(jìn)占料以石渣料、中石為主。

3.4.2 Ⅱ區(qū)(龍口寬度53 m～13 m)

進(jìn)占困難階段，采用沿30°～45°上挑角拋投方法進(jìn)占，鋼筋石籠和石籠串在右堤頭上坡角處推進(jìn)，當(dāng)拋投料形成上挑角，在其下游堤頭流速減小時，及時填補(bǔ)進(jìn)占。在龍口寬度接近43 m時，平均流速最大，達(dá)5.13 m/s。

3.4.3 Ⅲ區(qū)(龍口寬度13 m～0 m)

龍口合龍階段，此時龍口水位落差大，但泄流量小，進(jìn)占料以石渣料、中石為主。

3.5 截流備料

3.5.1 截流拋投料選擇

依據(jù)截流水力學(xué)計(jì)算和模型試驗(yàn)成果對拋投料的粒徑進(jìn)行計(jì)算，確定拋投料粒徑范圍為0.2 m～2.21 m。拋投料物主要為石渣料(粒徑0.5～40 cm)、中石(粒徑0.4～0.7 m)、大石(粒徑0.7～1 m)、特大石(粒徑大于1 m)、鋼筋石籠(2×1×1 m)和鋼筋石籠(特大石)串。本工程壩址區(qū)巖性以花崗巖為主，因此，前期的導(dǎo)流洞、溢洪道開挖料均可以作為截流拋投料，并充分考慮以開挖的大石料串替代鋼筋石籠，以降低投資。

3.5.2 截流備料

根據(jù)《水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T35041-2014)相關(guān)規(guī)定，本工程預(yù)進(jìn)占非龍口段和龍口段備料系數(shù)分別取1.3、1.5，其中龍口段拋投大塊石、鋼筋石籠等特殊拋投材料備料系數(shù)取2.0。截流備料量約9.59萬m3，其中預(yù)進(jìn)占區(qū)備料量約3.65萬m3，龍口區(qū)備料量約5.94萬m3。

4 截流施工

4.1 預(yù)進(jìn)占施工

預(yù)進(jìn)占在上游圍堰戧堤右岸單向進(jìn)占，于2017年11月上旬啟動。預(yù)進(jìn)占主要利用右岸溢洪道邊坡開挖料，自卸汽車運(yùn)輸至戧堤右端，端進(jìn)法卸料，推土機(jī)推進(jìn)。左岸原設(shè)計(jì)預(yù)進(jìn)占13 m，現(xiàn)場實(shí)施時，考慮左岸地形較陡，由大塊石堆積組成，結(jié)構(gòu)密實(shí)，最大粒徑達(dá)5 m以上，整體抗沖能力較強(qiáng)，取消了左岸預(yù)進(jìn)占，僅采用拋投四面體防護(hù)。預(yù)進(jìn)占期間根據(jù)上游來流量及堤頭沖刷情況，增加了右岸預(yù)進(jìn)占長度，最終形成龍口寬度60 m。

4.2 龍口截流

龍口進(jìn)占自2017年11月18日8:00開始，上游來流量622 m3/s，戧堤上游水位2 385.82 m，龍口分流量496 m3/s，龍口平均流速3.3 m/s，導(dǎo)流洞分流量126 m3/s，分流比20.26%。龍口采取全斷面進(jìn)占方式，拋投料以石渣及中石為主。

11月19日8:00，累積進(jìn)占19 m，龍口寬度41 m，戧堤上游水位2 386.86 m，龍口平均流速為4.7 m/s。導(dǎo)流洞分流增長非常緩慢，分流比僅增長至29.56%。此后，龍口進(jìn)入截流困難時段，中石拋投后難以自穩(wěn)。經(jīng)現(xiàn)場會商，改用大塊石凸出上挑腳進(jìn)占，中石及石渣混合料在戧堤中部拋投，并根據(jù)情況在上挑腳采用四面體護(hù)腳。由于龍口未采用護(hù)底措施，龍口段長時間沖刷，底部覆蓋層流失嚴(yán)重，截至11月19日18:00，龍口進(jìn)占7 m，龍口寬度34 m，戧堤上游水位2 388.15 m，龍口平均流速4.8 m/s，導(dǎo)流洞分流量增長緩慢，分流比增長到47.61%。此后龍口進(jìn)入截流最困難階段，單個四面體已不能自穩(wěn)，采用連續(xù)的特大石串或四面體串凸出上挑腳進(jìn)占，至當(dāng)日22:00，龍口僅進(jìn)占2 m，但導(dǎo)流洞分流比超過60%，隨著龍口流量減少，龍口流速開始下降，龍口平均流速降到4.4 m/s。

11月20日1:30左右，進(jìn)占速度開始加快，根據(jù)堤頭水流情況判斷，龍口已形成三角自由出流狀態(tài)，至11月20日8:00，龍口平均流速3.5 m/s，導(dǎo)流洞分流比77.34%，龍口進(jìn)入合攏階段，至11月20日14:00，基本完成了龍口合攏。

龍口截流共歷時54小時，截流過程中實(shí)測龍口最大平均流速5.0 m/s，最大落差4.55 m。

5 結(jié) 語

(1)蘇洼龍水電站是金沙江上游第一個實(shí)施截流的電站，具有截流流量大，龍口水力學(xué)指標(biāo)高、導(dǎo)流洞分流條件差、截流邊界條件復(fù)雜、拋投強(qiáng)度高、截流風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)，通過精心的截流規(guī)劃設(shè)計(jì)和有序的截流施工組織，成功實(shí)現(xiàn)了大江截流，為金沙江上游后續(xù)梯級等類似工程截流設(shè)計(jì)施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(2)西南高山峽谷地區(qū)導(dǎo)流洞進(jìn)出口圍堰的拆除效果存在不確定性，截流設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮殘留巖梗的影響。截流施工期間，截流備料和拋投強(qiáng)度對截流順利實(shí)施至關(guān)重要，應(yīng)充分做好截流準(zhǔn)備工作。