金沙水電站非天然河床流量下導(dǎo)流明渠截流關(guān)鍵技術(shù)研究

李瞬旭燕 段會平 李雷

摘要：金沙水電站三期截流戧堤位于導(dǎo)流明渠內(nèi)，導(dǎo)流明渠過水面較窄、水流深、流速大，若上游水電站受電網(wǎng)調(diào)節(jié)，河床流量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常徑流的兩倍以上，增加截流難度及風(fēng)險，影響金沙水電站建設(shè)周期。因此，開展非天然河床流量下導(dǎo)流明渠截流關(guān)鍵技術(shù)研究十分有必要。通過建立截流模型試驗獲取水力學(xué)數(shù)據(jù)，優(yōu)化截流方案，最終順利實現(xiàn)了導(dǎo)流明渠截流并取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流明渠; 截流模型試驗; 非天然河床流量; 金沙水電站

中圖法分類號：TV551.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.004

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0014 - 05

0 引 言

金沙水電站三期截流時，截流僅能采用立堵、單向進(jìn)占方式，截流設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為11月下旬重現(xiàn)期10 a的旬平均流量，Q=1 470 m3/s。明渠截流落差超過4 m，加之明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑不利于拋投料的穩(wěn)定堆積，同時截流流量受上游水電站調(diào)控，截流時流量變化大，截流難度較大[1]。為實現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)截流，有必要進(jìn)行非天然河床流量下導(dǎo)流明渠截流關(guān)鍵技術(shù)研究[2]。開展了截流物理模型試驗研究，制定了安全經(jīng)濟(jì)的截流實施方案，為工程截流設(shè)計施工提供依據(jù)，保證截流一次性成功。

1 工程概論

金沙水電站左岸布置電站建筑物，右岸布置泄洪、導(dǎo)流設(shè)施。該工程采用明渠分期導(dǎo)流方式[3]。導(dǎo)流明渠布置于右岸，導(dǎo)流共分為3期：① 一期進(jìn)行右岸導(dǎo)流明渠和混凝土縱向圍堰施工;② 二期主河床截流，在二期土石圍堰和混凝土縱向圍堰保護(hù)下施工3孔河床溢流壩段、廠房壩段和左岸非溢流壩段，水流從導(dǎo)流明渠下泄;③ 三期進(jìn)行導(dǎo)流明渠截流。泄流能力試驗研究目的為測量戧堤閉氣落差，初步判斷截流難度以及復(fù)核戧堤頂高程合理性。

2 三期截流模型試驗

2.1 模型設(shè)計及制作

模型為正態(tài)整體模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，與原型保持幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似。模型比尺為1∶80（Lr=80）。模型長37.0 m，寬5.5 m，高1.5 m，模擬了壩軸線上游1 200 m至下游1 500 m范圍內(nèi)高程1 030 m以下的河道地形。

地形采用等高線法制作。地形、各期導(dǎo)流上下游土石圍堰采用水泥砂漿抹面，縱向圍堰、明渠與表孔溢流壩面采用水泥砂漿刮制，表孔閘墩、表孔缺口及排沙孔等采用有機(jī)玻璃制作。模型制作和安裝精度均符合SL 155-2012《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》和SL 163-2010《水利水電工程施工導(dǎo)流和截流模型試驗規(guī)程》要求。

河道糙率是洪水演進(jìn)模擬中的重要參數(shù)，根據(jù)三期圍堰工程下泄流量與上下游水位對應(yīng)關(guān)系，本次研究區(qū)域內(nèi)糙率取值為0.040～0.066。

試驗采用電磁流量計量測流量，采用水位測針量測水位，采用小旋槳流速儀量測流速。儀器設(shè)備均經(jīng)過檢驗，并在有效期內(nèi)，滿足測試要求。

2.2 泄流能力試驗

排沙孔+2個表孔+1個表孔缺口的泄流能力試驗在明渠封堵條件下進(jìn)行。試驗流量區(qū)段為304～1 640 m3/s，試驗流量級5級。試驗成果如表1～2所示。

試驗證明：戧堤頂高程合理，下游水位對分流建筑物頂托作用較大，對于明渠截流，由于底板光滑，Q=950～1 470 m3/s的戧堤閉氣落差高于3.50 m，根據(jù)模型試驗流失量判斷，截流難度將會較大[4]。

2.3 截流水力特性研究

考慮到明渠截流難度大，根據(jù)現(xiàn)場實際條件，選取可能降低截流難度的多種方案進(jìn)行試驗。

2.3.1 方案一

截流戧堤樁號0-89.9 m，即設(shè)計位置，由右向左采用單戧立堵方式進(jìn)占。該方案下進(jìn)行截流前需增設(shè)一條馬道，以便拋投料的運(yùn)輸，馬道高程為1 007.0 m，寬7 m，坡度1∶1.5接明渠底板。

該方案在設(shè)計流量Q=1 470 m3/s時截流難度較大，其截流終落差為4.92 m，龍口圍堰寬度B=29 m的龍口、堤頭的最大垂線平均流速分別為5.77，6.55 m/s，龍口下游的最大流速為8.13 m/s，該區(qū)段拋投料流失量較大。同時，截流戧堤軸線位于壩軸線上游89.9 m處，其右側(cè)為陡峭山體，需在明渠內(nèi)鋪設(shè)道路，方便進(jìn)料車的進(jìn)出，道路施工困難，成本較大。

2.3.2 方案二

考慮截流進(jìn)占交通問題，戧堤與圍堰不結(jié)合，將戧堤軸線一端布置在縱向圍堰頭部，另一端與右岸道路相接，戧堤軸線位樁號0-279.95 m。

方案二截流難度較大，其截流終落差為5.00 m，截流困難段圍堰寬度B=38～22 m區(qū)段堤頭的最大垂線平均流速為5.84 m/s，龍口中心線處垂線平均流速達(dá)8.73 m/s。該方案的截流戧堤軸線位于明渠進(jìn)口處，道路交通較為方便。

2.3.3 方案三

鑒于方案二進(jìn)占前依然要沿高程1 007.0 m平臺鋪設(shè)近80 m長的馬道，工程量較大，為達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)截流目的，對方案二的截流戧堤軸線再次進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)占起點(diǎn)直接從高程1 007.0 m寬平臺開始，另一端仍位于縱向圍堰頭部。

該方案在設(shè)計流量Q=1 470 m3/s時截流終落差為4.52 m，截流困難段B=33 m時，堤頭的最大垂線平均流速為5.46 m/s，龍中線垂線平均流速達(dá)9.31 m/s。該方案的截流戧堤軸線位于明渠進(jìn)口處，無需鋪設(shè)道路。3種方案水力參數(shù)對比見表3。

在方案三各級流量下，水流行進(jìn)平穩(wěn)，堰前水面平靜，分流建筑物進(jìn)流順暢，消力池水體波動較小，與下游水面銜接平順，排沙孔出流順暢，水面波動不大;明渠進(jìn)流順暢，縱向圍堰堤頭未發(fā)現(xiàn)明顯的繞流現(xiàn)象，適合截流施工。

綜上，在設(shè)計流量Q=1 470 m3/s時，方案三的落差、流速等水力特性參數(shù)均小于方案一及方案二，雖方案一及方案二的總拋投量小，但不含預(yù)增馬道的拋投量，從施工工期和安全經(jīng)濟(jì)等方面綜合考慮，推薦方案三。

3 截流方案設(shè)計及施工

3.1 截流水力學(xué)計算

根據(jù)DL/T 5741-2016《水電水利工程截流施工技術(shù)規(guī)范》附錄A對該工程三期截流開展水力學(xué)計算，水力特性參數(shù)如表4所示。

水力學(xué)計算與模型試驗成果總體偏差不大，水力學(xué)計算結(jié)果最大流速為6.586 m/s，模型試驗成果最大流速為6.93 m/s，水力學(xué)計算結(jié)果偏小。因三期截流模型試驗采用水工整體模型，完全模擬金沙水電站同種工況，為保證三期截流施工更為順利、安全，龍口拋投料品種和數(shù)量計算時采用最大流速較大、成果更為真實可靠的截流模型試驗成果[5]。

3.2 龍口施工區(qū)段劃分及拋投料物

上游截流戧堤龍口從右岸向左岸單向立堵進(jìn)占，為便于施工時控制拋投材料，根據(jù)合龍過程中不同龍口寬度的流速[v]、落差[z]等水力學(xué)指標(biāo)，將龍口劃分為兩個施工區(qū)段（不含預(yù)進(jìn)占及結(jié)束段）。預(yù)進(jìn)占：圍堰寬度B=113～88 m（龍口寬度b=73～48 m）龍口平均流速5.42 m/s。第一區(qū)段：龍口圍堰寬B=88～73 m（龍口寬度b=48～43 m），龍口平均流速6.11 m/s，落差3.3 m;第二區(qū)段：龍口寬圍堰83～53 m（龍口寬度b=43～13 m），龍口平均流速5.76 m/s，落差3.9 m[6]。龍口拋投料物工程量見表5，龍口分區(qū)拋投料示意圖見圖1。

3.3 截流水情觀測

3.3.1 水情預(yù)報

因?qū)Я髅髑亓魇窃诜翘烊缓哟擦髁肯逻M(jìn)行，若上游水電站受電網(wǎng)調(diào)節(jié)，河床流量最大可能達(dá)到3 225 m3/s，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常徑流的兩倍以上，增加截流難度及風(fēng)險，因此做好水情預(yù)報對明渠截流工程十分重要，影響和制約截流的成敗。

3.3.2 水位觀測

（1） 水尺布置。在截流河段內(nèi)增設(shè)戧堤上、戧堤下、導(dǎo)流底孔上、導(dǎo)流底孔下、導(dǎo)流明渠中部、導(dǎo)流明渠出口共6個水位站。在戧堤上、戧堤下兩側(cè)邊界以外適當(dāng)位置，觀測戧堤上、下水位落差;在導(dǎo)流底孔上口和導(dǎo)流底孔下口觀測水位，控制截流河段的總落差;在明渠中部及出口觀測水位，水位監(jiān)測站網(wǎng)布置如圖2所示。

（2） 水位觀測。采用激光全站儀觀測水位。預(yù)進(jìn)占及截流期間分別派專人觀測水位，預(yù)進(jìn)占每2 h觀測一次;龍口合龍期間至少每1 h觀測一次。

（3） 流速監(jiān)測。導(dǎo)流明渠底板光滑、明渠流量大，斷面狹窄，采用電波流速儀非接觸式測速。監(jiān)測位置設(shè)在左岸順堤堤頭上游接近龍口處。觀測頻次：非龍口段每2 h觀測一次，龍口段每1 h觀測一次，連續(xù)監(jiān)測龍口口門區(qū)流速變化，并用浮標(biāo)法進(jìn)行流速驗證。根據(jù)實測的流速，由技術(shù)人員分析截流拋投材料粒徑，確定截流實施方案，并將分析得到的結(jié)果匯報到截流指揮中心，指導(dǎo)截流的實施。

（4） 龍口寬測量。為掌握截流工程施工進(jìn)度，有效地服務(wù)截流工程施工預(yù)報、水文及水力學(xué)計算。采用激光全站儀無人立尺進(jìn)行龍口水面寬（截流戧堤軸線兩水邊點(diǎn)間距）測量。觀測頻次：非龍口段每2 h觀測一次，龍口段每1 h觀測一次。

3.4 截流施工

導(dǎo)流明渠截流時，現(xiàn)場配備自卸汽車20臺（25 t），挖機(jī)（PC400 1.8 m3）1臺，挖機(jī)（CAT330 1.6 m3）1臺，挖機(jī)（PC4002 m3）5臺，推土機(jī)（TY320）1臺，裝載機(jī)（ZL50C 3.0 m3）1臺。2019年11月25日00：00導(dǎo)流明渠截流正式進(jìn)入最困難段。龍口寬度43.8 m，河床流量1 235 m3/s，導(dǎo)流明渠分流量673 m3/s，分流比54%，堤頭流速6.5 m/s，落差2.97 m。

導(dǎo)流明渠分流較設(shè)計高，導(dǎo)流效果較設(shè)計差，導(dǎo)致龍口流速在河床沒達(dá)到設(shè)計流量時，已接近設(shè)計計算值，此階段進(jìn)占十分困難。為減少沖刷流失過大，現(xiàn)場立即加大資源投入，采用凸出上挑角（約30°）施工，用特大塊石（粒徑與流速匹配）和混凝土預(yù)制塊串從戧堤軸線上游側(cè)利用汽車直接拋投進(jìn)占，再將石渣集中傾倒在戧堤軸線中下游側(cè)，受場地限制，截流僅能利用1臺推土機(jī)、1臺挖機(jī)同時向前推進(jìn)，保證拋投足夠的塊石，各工序銜接流暢，戧堤進(jìn)占穩(wěn)步向前。

明渠截流整個過程持續(xù)時間長達(dá)98 h，龍口拋投量為13 526 m3，最大拋投強(qiáng)度為524 m3/h，龍口最大流速達(dá)8.4 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計流速，中間約12 h戧堤未有絲毫進(jìn)占，現(xiàn)場立即采取備用措施，將大預(yù)制塊作為固定點(diǎn)，將所有四面體預(yù)制塊全部串聯(lián)至大預(yù)制塊上，保證預(yù)制塊全部拋投至龍口處，同時不被高速水流沖走，最終順利實現(xiàn)導(dǎo)流明渠截流。

4 結(jié) 語

截流設(shè)計流量為5 a一遇平均流量Q=1 470 m3/s，實際截流時，受上游水電站電網(wǎng)調(diào)節(jié)影響，河流最大流量為1 680 m3/s，龍口流速、落差均超設(shè)計計算值，截流難度大大增加。通過前期方案優(yōu)化和截流準(zhǔn)備，建立截流模型，收集相關(guān)截流參數(shù)，確定金沙水電站最經(jīng)濟(jì)、可靠的方案，降低截流風(fēng)險。在截流實施過程中，實時進(jìn)行水情監(jiān)測，面對流失量大的情況，迅速采取相應(yīng)措施，最終順利實現(xiàn)導(dǎo)流明渠截流，對其他明渠截流施工起到指導(dǎo)性作用。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，若采用原設(shè)計進(jìn)行截流則需備料及拋投截流料物等共計10萬m3。推薦最適宜的截流戧堤位置及截流方案，建立水情預(yù)報及監(jiān)測系統(tǒng)，實時計算出拋投強(qiáng)度、拋投粒徑等數(shù)據(jù)，直接指導(dǎo)現(xiàn)場施工，實際備料及拋投截流料物共計9萬m3，投資節(jié)省100余萬元，取得較好經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。

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（編輯：李 晗）

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