單戧立堵法在黃河截流中的應(yīng)用

吳川花

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

單戧立堵截流通常適用于施工場地受限，落差小于3.5 cm，只能一端進占的截流工程，此種截流方法操作簡單，且經(jīng)濟實惠。單戧立堵式截流法在龍口合龍前需要非常大的推進強度，在國內(nèi)外截流施工方面被廣泛應(yīng)用[1]。本文以一期導(dǎo)流前的黃河主河床截流為例，對單戧立堵法在該工程中的應(yīng)用進行探討。

1 電站概況

黃豐水電站樞紐建筑物主要由泄洪閘、電站廠房、土石壩組成，設(shè)計正常蓄水位1880.5 m，壩頂高程1883.5 m，最大壩高46.66 m。泄洪閘為3 孔，孔口尺寸14 m×9.2 m；發(fā)電主廠房尺寸92.0 m×29.0 m×68.65 m（長×寬×高），裝機容量225 MW（3×75 MW）。電站多年平均發(fā)電量8.648億kW·h，總庫容0.59 億m3，屬Ⅲ等中型工程，工程主要任務(wù)是發(fā)電。

壩址區(qū)每年11 月至次年6 月為枯水季節(jié)，洪水多出現(xiàn)于每年的7 月～10 月。2007 年黃豐壩址區(qū)10 年一遇汛期洪水流量為3020 m3/s，枯水期流量為1600 m3/s。工程地處大陸腹地，為典型的半干旱大陸性氣候。多年平均氣溫8.7℃，極端最低氣溫-19.9℃，極端最高氣溫38.2℃。多年平均降雨量266.2 mm，多年平均蒸發(fā)量2131.5 mm。

2 截流工程

根據(jù)圍堰體型特點，考慮進占過程中損耗及應(yīng)急準(zhǔn)備，截流工程量備料見表1。

表1 截流工程量備料

截流采用單戧堤左岸立堵法截流，在左岸上游料場至下游圍堰堰肩堆料場布置一條截流施工道路，砂礫石路面長510 m，寬8 m，雙車道行使，備存維護路面的砂礫石。配備一輛灑水車，防止灰塵影響司機視線。另在左側(cè)戧堤附近處設(shè)一20 m×50 m 的回車場。為保證下游圍堰用料,從上游圍堰至下游圍堰布置一施工機械運輸?shù)缆贰?/p>

3 戧堤及截流施工

3.1 戧堤位置及進占方式

采用上游橫向圍堰自左岸向右岸進占的單戧立堵截流方式，截流戧堤作為上游圍堰一部分。截流戧堤軸線選擇須結(jié)合圍堰的布置統(tǒng)一考慮[2]。

截流戧堤斷面設(shè)計應(yīng)保證戧堤自身穩(wěn)定，同時要滿足截流高強度施工交通要求，戧堤頂寬取10 m。戧堤上下游邊坡為1∶1.5。

預(yù)進占段圍堰斷面分成三次填筑。第一次預(yù)進占，坡頂與戧堤相接，并布置回車場以滿足車輛回轉(zhuǎn)需要，坡頂高程以下填筑成圍堰斷面。預(yù)進占段頂寬20.34 m～23.84 m，坡頂高程1864.99 m～1869.80 m。第二次填筑，將圍堰斷面加高成灌漿平臺進行防滲。第三次填筑，灌漿后，將灌漿平臺加高成堰頂高程。

黃豐電站截流流量受公伯峽電站發(fā)電流量控制。公伯峽1臺機組發(fā)電時，至黃豐電站流量為345 m3/s；公伯峽2 臺機組發(fā)電時，至黃豐流量為690 m3/s。合龍時，按690 m3/s 流量進行施工設(shè)計。

截流戧堤進占共分4 個區(qū)，其中龍口為兩個區(qū)。黃豐水電站主河床截流戧堤進占程序見圖1。

Ⅰ區(qū)，第一次右岸預(yù)進占區(qū)，進占長度20 m，該區(qū)填筑明渠開挖砂礫料，用鋼筋籠裹頭，防止沖刷。

Ⅱ區(qū),第二次左岸預(yù)進占區(qū)，進占長度110.47 m，隨著龍口寬度減小，流速增加，先在前沿拋投鋼筋鉛絲籠，后為砂礫石料或石渣，預(yù)進占結(jié)束后用鋼筋鉛絲籠裹頭，防止沖塌。

Ⅲ區(qū)，當(dāng)龍口寬度為50 m 時，流速增加，截流進入困難時期，該區(qū)拋投料為鋼筋籠及混凝土預(yù)制塊分流，后拋投砂礫石料或石渣填充。

Ⅳ區(qū)，當(dāng)龍口為20 m 時，截流困難進一步增加，此時拋投鋼筋串籠及混凝土預(yù)制塊。

圖1 黃豐水電站主河床截流戧堤進占程序示意圖

3.2 截流水力特性計算

3.2.1 導(dǎo)流明渠分流流量計算

根據(jù)設(shè)計資料，導(dǎo)流明渠水位流量關(guān)系見表2。

表2 導(dǎo)流明渠水位流量關(guān)系

3.2.2 龍口寬度計算

龍口寬度根據(jù)不同流態(tài)采用不同公式分別計算。

當(dāng)龍口斷面為梯形，且流態(tài)為淹沒出流時龍口泄流量用式(1)計算：

式中：φ 為流速系數(shù)，采用0.8～0.9；b 為龍口水面寬度，m；ms為龍口坡比；hs為龍口下游水位，m；H0為龍口上游水頭，m[3]。

當(dāng)龍口斷面為梯形，且流態(tài)為自由出流時龍口泄流量用式(2)計算：

式中：m 為流量系數(shù)，采用0.31～0.34；其它符號同式（1）。

當(dāng)龍口斷面為三角形，自由出流時龍口泄流量用式（3）計算：

式中：m 流量系數(shù)，0.31～0.34，隨龍口糙率增大而減小，本次計算取m＝0.32；b 為龍口斷面平均寬度；其它符號同式（1）（2）。

計算時先計算導(dǎo)流明渠分流流量，然后根據(jù)龍口流量判別流態(tài)，選取相應(yīng)公式進行流量計算。

3.2.3 龍口水深計算

龍口水深計算分為兩種情況，梯形龍口水深計算時，先計算Z/H0，然后根據(jù)Z0/H=f(Z/H0)曲線查出Z0/H，計算Z0＝H×（Z0/H），并進一步求得h＝H－Z0；三角形龍口水深計算時，用h＝b/（2×ms）進行計算，其中b 為水面寬度，ms為龍口坡比。

3.2.4 龍口平均流速計

龍口平均流速按下式計算：v=Q/（B×h）

3.2.5 龍口拋投材料計算

龍口拋投材料塊徑按依茲巴什公式計算[4]：

式中：d 為石塊化引為球體的當(dāng)量直徑（m）；rs、r 分別為塊石容重和水的容重，t/m3；v 為計算流速，m/s；k 為穩(wěn)定系數(shù)，本次截流不護底取k=0.9。

根據(jù)國內(nèi)外截流經(jīng)驗，單戧立堵進占用流速計算拋投料的粒徑比較符合實際。從計算結(jié)果看，按照依茲巴什公式計算的塊體粒徑和已往資料比較接近。

3.3 截流技術(shù)措施

3.3.1 預(yù)進占及龍口合龍

第一次預(yù)進占設(shè)計流量為1680 m3/s，為了減輕截流后期的施工壓力，根據(jù)目前施工情況，在導(dǎo)流明渠不分流情況下，安排第一次預(yù)進占，經(jīng)過計算，當(dāng)束窄河床后水位雍高，龍口為80 m 時，上游水位為1863.61 m，沒有超過一期圍堰設(shè)計水位1865.5 m。在9 月15 日前將河床束窄至50 m。

第二次預(yù)進占時，導(dǎo)流明渠具備分流能力，流量由業(yè)主協(xié)調(diào)上游已建電站控泄，控泄流量690 m3/s。在9 月1 日～14 日期間進行填筑，當(dāng)龍口為50 m 時完成預(yù)進占，由業(yè)主協(xié)調(diào)上游已建電站控泄，黃豐水電站截流流量控制在690 m3/s，進行龍口合龍。水力計算參數(shù)見表3。

表3 截流水力特性計算表

3.3.2 閉氣

龍口合龍后，閉氣料分兩次完成。第一次拋投水平寬度為1.11 m 的反濾料，左岸砂礫料場取料，第二次拋投水平寬度為2.23 m 的粘土料，左岸下游圍堰堰肩處堆料場取料。閉氣料拋投完畢后，對戧堤滲漏量進行檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)較大滲水通道時，在上游拋填粘土料。

3.4 截流施工

預(yù)進占平均拋投強度200 m3/h，合龍時平均拋投強度500 m3/h，閉氣料拋投強度300 m3/h，拋投時采用裝載機、反鏟配自卸汽車裝運拋投料至戧堤部位，推土機推料及平整堤面。

第二次預(yù)進占時，由于龍口束窄水流對拋投料的沖刷加劇，為順利進占，拋投重點為上游邊線處，即上挑角拋投，將鋼筋籠穩(wěn)定在上游坡角處，其它部位可用石渣或砂礫石料進占。當(dāng)出現(xiàn)下游側(cè)回流淘刷，一般料難以進占時，可在下游側(cè)拋投鋼筋籠，中間拋投石渣或砂礫石料，如此輪番交替拋投，應(yīng)可順利進占。

龍口合龍時，采用堆石體戧堤由左岸向右岸立堵進占方法截流，采用裝載機或反鏟配合自卸汽車將鋼筋籠、砼預(yù)制塊、塊石、砂礫料運至戧堤進占拋投，并配備推土機推料直到合龍。因黃河流量較大，合龍后應(yīng)立即加大填筑強度，左右岸同時施工，將戧堤加寬加高至設(shè)計寬度和高程。填筑料來源于左岸砂礫料場，運距約在300 m 范圍內(nèi)。

合龍時根據(jù)水流條件及龍口狀態(tài)，先沿上游角流速較小處將鋼筋籠或預(yù)制塊拋下，以挑開水流，造成戧堤前沿中部及下游處的回流區(qū)，在龍口段形成多級落差，并拋投砂礫料或石渣。預(yù)計合龍時間16 h，最大拋投強度500 m3/h。

合龍加寬戧堤后，立即進行閉氣，閉氣材料運至上游坡面順坡卸料，水上部分由反鏟修坡。

3.5 截流用料儲備

左岸110.54 m 預(yù)進占主要材料為砂礫石，當(dāng)水流流速較大時采用鋼筋籠進行裹頭。

左岸戧堤用料約為2 萬m3，而從業(yè)主指定的取料場只能取約0.6 萬m3的砂礫料，有1.4 萬m3的砂礫料需要提前備料。備料表見表4。

表4 截流各種材料用量表

3.6 截流施工強度與機械設(shè)備選擇

本工程導(dǎo)流明渠的引渠與上游來流方向較順，明渠分流能力較強，護底要求不高。

①合龍流量690 m3/s 方案

上游圍堰預(yù)進占段填筑，填筑強度90 m3/h，6 天完成預(yù)進占。

截流拋投強度500 m3/h～600 m3/h，合龍歷時約16 h。

龍口合龍后，加高戧堤和預(yù)進占段上游圍堰，填筑強度360 m3/h，分層填筑碾壓,4 天完成。截流主要機械設(shè)備見表5。

表5 截流主要機械設(shè)備表

4 結(jié)語

項目部通過各項前期策劃和籌備，2007 年9 月16 日，黃豐水電站按計劃完成一期黃河截流，龍口合龍后及時進行了閉氣料鋪設(shè)和圍堰的加高培厚，為該項目基坑開挖和下一步主體結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件。實踐證明，截流工程施工中，立堵截流施工簡單，便于就地取材和機械化施工，且施工準(zhǔn)備工作量小、安全可靠，可在截流工程廣泛進行廣泛應(yīng)用。