單戧單向立堵截流在巴塘水電站截流施工中的應(yīng)用分析

于廣斌，雙學(xué)珍

(1.中國(guó)安能集團(tuán)第三工程局有限公司成都分公司，成都，611130；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都，611830)

1 工程概況

巴塘水電站位于金沙江上游河段四川省和西藏自治區(qū)的界河上，為金沙江上游河段十三級(jí)開發(fā)的第九級(jí)電站，工程為Ⅱ等大(2)型，以發(fā)電為主。左岸布置1條導(dǎo)流洞、1條泄洪放空洞，采用上、下游全年土石圍堰擋水，隧洞過流的導(dǎo)流方案。圍堰堰高51.8m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水重現(xiàn)期，相應(yīng)的洪水流量Q=5960m3/s。本工程于12月初預(yù)進(jìn)占，12月下旬截流。采用單戧單向立堵截流方式，由右岸向左岸進(jìn)占，直至龍口合龍。截流設(shè)計(jì)流量取金沙江12月份下旬10年一遇平均流量，Q=322m3/s。

2 巴塘水電站截流特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1)河床地形復(fù)雜，地質(zhì)條件差。上游圍堰河床段覆蓋層厚25m～55.5m，物質(zhì)組成以砂卵礫石為主，抗沖刷能力弱。白格堰塞湖泄流后，河床底部淤積情況不明，也增加了許多不確定性。對(duì)截流備料選擇和戧堤進(jìn)占影響較大。

(2)分流條件決定截流施工難易。根據(jù)水工模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)流洞口圍堰拆除后即進(jìn)行分流，當(dāng)達(dá)到截流設(shè)計(jì)流量322m3/s時(shí)，導(dǎo)流洞分流流量為125m3/s。因此，分流流量完全取決于進(jìn)、出口段堰梗拆除質(zhì)量。

(3)右岸進(jìn)占區(qū)狹窄，拋投強(qiáng)度受到影響。右岸進(jìn)占至40m時(shí)，即進(jìn)入到龍口區(qū)，車輛、施工設(shè)備布置上較為擁擠，拋投強(qiáng)度受到影響。

(4)運(yùn)輸?shù)缆份^遠(yuǎn)，截流組織難度大。截流備料場(chǎng)距戧堤0.8km，只有2#單條道路到達(dá)戧堤，車輛循環(huán)運(yùn)輸較為困難，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)截流組織要求高。

(5)戧堤頂高程較高，堤頭保護(hù)難度大。根據(jù)水工模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，截流時(shí)水面高程為2490.53m，龍口合龍后水面高程為2493.48m，考慮到安全超高，戧堤頂高程不低于2496m。因此，拋投物料時(shí)，堤頭掛渣情況較為嚴(yán)重，堤頭下部易被沖刷，進(jìn)而增加堤頭滑塌風(fēng)險(xiǎn)。

3 截流方案設(shè)計(jì)

3.1 截流時(shí)段及截流標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃安排，2021年4月底前需完成圍堰施工，確保度汛安全。巴塘水電站最遲截流日期2020年12月28日，導(dǎo)流洞分流日期12月26日。壩址12月-3月為枯水期，截流設(shè)計(jì)流量取金沙江12月10年一遇的旬平均流量，Q=322.0m3/s。實(shí)際截流中12月26日流量為325m3/s，12月27日為327m3/s，流量選擇較為準(zhǔn)確。

3.2 戧堤布置和龍口設(shè)置

為充分利用戧堤，減少圍堰填筑量，戧堤軸線布置于上游圍堰軸線上?？紤]白格堰塞湖后河床抬高的不確定因素，堤頂安全超高取1.5m，擬定堤頂高程為2496m?？紤]施工方案和截流強(qiáng)度要求，為滿足4臺(tái)自卸車同時(shí)卸料需要，戧堤頂寬設(shè)置為25m，上、下游坡比為1∶1.5，堤頭坡比為1∶1.3。

本工程戧堤布置處河床斷面寬約220m，截流前戧堤需進(jìn)行預(yù)進(jìn)占。其中左岸預(yù)進(jìn)占長(zhǎng)度100m，(裹頭防護(hù)處理25m)；右岸預(yù)進(jìn)占50m(裹頭防護(hù)15m)，形成龍口寬度70m。龍口位置及寬度示意見圖1。

圖1 龍口位置及寬度示意

3.3 截流方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，截流道路僅為右岸1條道路，截流料堆存在右岸備料場(chǎng)。同時(shí)主河床偏右，龍口合龍段應(yīng)盡量向河床左側(cè)偏移，降低截流難度。因此，單向單戧立堵截流方式符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，該方式具有準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單、造價(jià)低、截流填筑強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

3.4 水力學(xué)計(jì)算

3.4.1 計(jì)算內(nèi)容

(1)導(dǎo)流洞上游水位與泄流量關(guān)系曲線；

(2)不同龍口寬度上游水位與龍口泄流量關(guān)系曲線；

(3)截流過程中各水力參數(shù)。

3.4.2 計(jì)算公式

(1)合龍過程中的河道流量計(jì)算

Q=Qg+Qd+Qt+Qs

式中：Qg——龍口流量(m3/s)；

Qd——導(dǎo)流建筑物分流量(m3/s)；

Qt——上游河槽中的調(diào)蓄流量(m3/s)；

Qs——戧堤滲透流量(m3/s)。

在截流設(shè)計(jì)水力學(xué)計(jì)算時(shí)，考慮截流期間壅水較低的情況，故上游河槽調(diào)蓄流量忽略不計(jì)；同時(shí)站址處河床狹窄且戧堤較短，截流戧堤滲流量可作為安全裕度，不計(jì)入。

(2)導(dǎo)流洞分流計(jì)算

式中：σ——淹沒系數(shù)，下游自由出流，取1；

m1——流量系數(shù)，取0.35。

(3)不同龍口寬度的上游水位與龍口泄流量關(guān)系

式中：σ——淹沒系數(shù)；

m2——流量系數(shù)，梯形龍口取0.32；

Bcp——龍口平均水面寬度(m)。

3.4.3 成果數(shù)據(jù)

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)繪制導(dǎo)流洞泄流曲線和龍口泄水曲線，并把兩類曲線組合為聯(lián)合泄流曲線；再根據(jù)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；最后由上游龍口分流量及上游水位計(jì)算其龍口水力學(xué)指標(biāo)。截流戧堤龍口進(jìn)占過程水力學(xué)計(jì)算成果見表1。

3.5 龍口分區(qū)

根據(jù)水力學(xué)模型試驗(yàn)成果結(jié)合龍口布置情況，截流戧堤分為非龍口段和龍口段。截流戧堤非龍口段主要為兩岸預(yù)進(jìn)占段，龍口段施工分為3個(gè)區(qū)段：龍口Ⅰ區(qū)、龍口Ⅱ區(qū)和龍口Ⅲ區(qū)。具體龍口分區(qū)見圖2，龍口分區(qū)特性表見表2。

圖2 龍口分區(qū)

表2 龍口分區(qū)特性

3.6 水工模型試驗(yàn)成果分析

隨著龍口的縮小，龍口的單寬流量及單寬功率在開始段隨龍口的縮小而增加，至龍口寬度為20m時(shí)，達(dá)到最大，單寬功率為126.14t·m/s·m，爾后又隨著龍口的逐漸縮小而減小。龍口附近的流速也同樣隨著龍口寬度的縮小，呈現(xiàn)逐漸增大后逐漸減小的變化規(guī)律，當(dāng)龍口寬度為35m時(shí)，達(dá)到最大，最大流速為5.50m/s。龍口中心始終為主流方向，最大流速均出現(xiàn)在龍口中心線上，戧堤端部流速均小于中心線流速，整個(gè)截流過程中龍口水位落差較大，戧堤合龍后最大上下游水位差6.65m。截流龍口水力要素見表3。

表3 截流龍口水力要素(不護(hù)底)

3.7 截流備料

借鑒金沙江蘇洼龍水電站截流成功經(jīng)驗(yàn)，考慮巴塘水電站截流工況，石渣料備料系數(shù)1.5，塊石料備料系數(shù)2.2，另需制作鋼筋籠、混凝土四面體等特殊物料在龍口合龍最艱難情況下使用。

4 截流實(shí)施

4.1 預(yù)進(jìn)占

根據(jù)施工安排，2020年12月上旬開始進(jìn)行預(yù)進(jìn)占，2020年12月10日，完成左、右岸預(yù)進(jìn)占，預(yù)留龍口寬度為69m。上游來水量為422m3/s，水位為2488.82m，堤頭表面最大流速為3.5m/s，龍口落差3.1m，左、右岸戧堤存在不同程度沖刷，料徑10cm以下石渣料流失嚴(yán)重，采用大塊石、鋼筋籠等對(duì)裹頭進(jìn)行保護(hù)。其中左岸裹頭防護(hù)10m，右岸裏頭防護(hù)15m。

4.2 龍口合龍

堤上車輛運(yùn)行線路擬布置為四車道，重車道用來運(yùn)輸大石、中石、石渣、混合料及截流特殊材料，卸料區(qū)為堤頭部位，等待區(qū)位于堤頭左側(cè)或預(yù)進(jìn)占區(qū)加寬部位，返回的車輛從戧堤中部離開，避免了重車和空車的相互干擾。在2020年12月26日11時(shí)開始進(jìn)占，采用直接拋投法，即自卸汽車運(yùn)料至堤頭后直接卸料入水，少量石渣由推土機(jī)配合推入水。當(dāng)進(jìn)占45m后，進(jìn)占出現(xiàn)困難，堤頭受沖刷局開始坍塌，30cm以下粒料開始流失。進(jìn)占方式采用上挑角法，即在堤頭上游側(cè)與戧堤軸線成30°～45°角的方向，用大塊石和特殊材料拋填形成一個(gè)防沖磯頭，在防沖磯頭下游側(cè)形成回流區(qū)，為保證戧堤穩(wěn)定，在戧堤下游用大塊石或鋼筋石籠壓腳，中間用中小石、石渣混合料尾隨進(jìn)占。當(dāng)進(jìn)占至35m后，戧堤進(jìn)占極為困難，上下游挑角由鋼筋石籠改為混凝土四面體串和鋼筋石籠串混合使用。采用推土機(jī)將用鋼絲繩串聯(lián)的4～6個(gè)鋼筋籠、四面體推入龍口，以確保戧堤正常推進(jìn)。當(dāng)龍口寬度為12m時(shí),堤頭表面流速達(dá)到5.5m/s～6.0m/s，龍口落差達(dá)到6.60m。采用推土機(jī)將鋼絲繩串聯(lián)的8～10個(gè)鋼筋籠、四面體串推入龍口上游，龍口中部高強(qiáng)度交替拋填石渣和2m3以上巨石，龍口寬度慢慢縮窄，龍口底部高程逐漸抬高，龍口水流流速逐漸減小,至2020年12月27日14時(shí)30分,實(shí)現(xiàn)龍口合龍，歷時(shí)27h。據(jù)施工統(tǒng)計(jì)，共完成龍口拋投3.5萬(wàn)m3，小時(shí)強(qiáng)度1296m3/h。

圖3 預(yù)進(jìn)占現(xiàn)場(chǎng)

圖4 龍口合龍現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

(1)單戧單向立堵法應(yīng)用條件。巴塘水電站選擇單戧單向立堵截流，主要考慮施工場(chǎng)地受限，雙向進(jìn)占不能滿足施工要求；主河床位置靠右岸，進(jìn)占時(shí)盡量將合龍段推至左岸，降低截流難度；配備數(shù)量眾多的挖裝設(shè)備，以高強(qiáng)度拋投，減少物料流失，加快合龍速度。巴塘水電站順利截流，表明在龍口流速5m/s～6m/s，截流落差不大于6.5m時(shí)，只要堤頭護(hù)好，拋投強(qiáng)度高，現(xiàn)場(chǎng)組織有力，單戧單向立堵法截流是經(jīng)濟(jì)合理的截流方案。

(2)導(dǎo)流建筑物分流條件對(duì)截流的影響。巴塘水電站堰梗拆除后分流效果不理想，出口段泄流效果也未達(dá)到預(yù)期，導(dǎo)致在進(jìn)占初期，只能繼續(xù)戧堤推進(jìn)以不斷壅高水位，逐漸達(dá)到分流要求，增加了截流難度。因此，導(dǎo)流建筑物分流條件的好壞，是截流施工的關(guān)鍵條件，堰體拆除質(zhì)量必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(3)堤頭防護(hù)措施必須高度重視。巴塘水電站截流到達(dá)預(yù)留龍口段時(shí)，對(duì)左堤頭防沖裹頭進(jìn)行了處理，采用大塊石、鋼筋籠等進(jìn)行防護(hù)，水下采用拋填、水上采用挖掘機(jī)碼方處理，防護(hù)厚度約6m，防護(hù)長(zhǎng)度順?biāo)鞣较蚣s25m。但在戧堤推進(jìn)至25m時(shí)，左堤頭仍出現(xiàn)局部滑塌，不得不重新進(jìn)行左堤頭防護(hù)，增加了截流難度。因此，采用單向單戧立堵截流時(shí),對(duì)面堤頭防護(hù)必須高度重視，防護(hù)措施必須按設(shè)計(jì)要求做到位。

(4)特殊物料備料應(yīng)充分。巴塘水電站截流龍口段進(jìn)占至45m后，龍口水力學(xué)指標(biāo)相對(duì)較差，進(jìn)占受到影響，需采用鋼筋籠、四面體進(jìn)行上游挑角，下游防護(hù)保護(hù)措施。隨著龍口不斷縮短，鋼筋籠串、四面體串更加頻繁使用，將串體擺放在堤頭上游側(cè),用推土機(jī)推入水中,形成回旋區(qū)域，高強(qiáng)度拋填塊石料，加快龍口合龍速度。巴塘水電站順利截流,截流備料時(shí)，特殊物料備料系數(shù)達(dá)到2倍以上，單個(gè)鋼筋籠重量達(dá)到6t，單個(gè)四面體重量達(dá)到7t。截流過程中特殊物料發(fā)揮至關(guān)重要作用，因此，特殊物料備料必須引起高度重視，備料系數(shù)應(yīng)盡量加大。

(5)高強(qiáng)度拋投對(duì)改善龍口流態(tài)、減小落差起關(guān)鍵性作用。巴塘水電站截流龍口最大落差達(dá)到6m，龍口寬度12m處形成水力坡降，物料拋投后，順坡被沖至下游，極難在龍口形成戧體。采取堤頭4臺(tái)自卸車不間斷同時(shí)卸料，加大拋投強(qiáng)度，用極短的時(shí)間，迅速填平落差，改善龍口流態(tài)，最終在龍口寬度5m時(shí)，流態(tài)趨于穩(wěn)定，龍口底部合龍。因此，高強(qiáng)度拋投是改善龍口流態(tài)、減少落差的重要手段，施工組織必須加強(qiáng)。

(6)截流現(xiàn)場(chǎng)指揮得力，是保證拋投強(qiáng)度的前提。高效的組織是保證戧堤拋投強(qiáng)度的前提。巴塘水電站在截流前，施工單位編制了截流手冊(cè)，對(duì)截流程序、截流指揮、物料使用和進(jìn)度安排，進(jìn)行了交底，落實(shí)到各參建人員，并組織了2次實(shí)地截流演習(xí)。截流過程中通過強(qiáng)有力指揮，強(qiáng)有力調(diào)度，在保證安全的同時(shí)，最大限度發(fā)揮施工設(shè)備的效率，滿足了拋投強(qiáng)度需要。