金沙水電站導(dǎo)流明渠截流施工技術(shù)研究

陳 仁 峰

(四川省能投攀枝花水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617068)

0 引 言

導(dǎo)流明渠截流是水電工程施工過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，在水利水電工程建設(shè)中占有十分重要的地位[1-2]。截流是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其成敗直接影響著工程的工期、投資與效益，眾多學(xué)者針對(duì)導(dǎo)流明渠截流方案的可實(shí)施性、安全性和經(jīng)濟(jì)性展開(kāi)了研究。如戴會(huì)超[3]、郭冬生[4]等為解決三峽工程導(dǎo)流明渠截流中一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，基于工程實(shí)際條件，對(duì)雙戧堤立堵截流施工技術(shù)、樞紐調(diào)度數(shù)學(xué)模型計(jì)算、水文監(jiān)測(cè)數(shù)字仿真系統(tǒng)和信息化集成等進(jìn)行了詳盡的研究，所得成果成功地應(yīng)用于截流施工中，確保了三峽工程施工的順利進(jìn)行。陳超敏等[5]通過(guò)水力學(xué)試驗(yàn)與相應(yīng)計(jì)算分析，研究了烏江銀盤(pán)水電站龍口位置與寬度、堰頂高程與戧堤分段進(jìn)占方案等截流施工相關(guān)參數(shù)，提出的導(dǎo)流明渠截流設(shè)計(jì)方案在施工中效果良好。韓春影等[6]介紹了觀音巖水電站三期截流的設(shè)計(jì)方案與施工程序，提出在流速較大段采用大塊石串凸出上游挑角進(jìn)占等措施，在減小施工成本的同時(shí)也保證了截流的成功。孫來(lái)成[7]為規(guī)避導(dǎo)流明渠截流施工難點(diǎn)，提出將截流戧堤布置在靠近導(dǎo)流明渠進(jìn)口處的河床底板上，且龍口軸線與導(dǎo)流明渠軸線平行布置的截流方法，為類似工程截流提供了參考。

可以看出，以上研究多為基于具體工程提出的導(dǎo)流明渠截流措施，或?yàn)獒槍?duì)某一截流施工中的難點(diǎn)提出的解決方案，這是因?yàn)槊總€(gè)工程都具有獨(dú)特的地形、氣候、水文等自然條件，必須根據(jù)實(shí)際工程的具體情況制定切實(shí)可行的導(dǎo)流明渠截流方案。金沙水電站導(dǎo)流明渠截流施工中存在眾多難點(diǎn)，例如：流量大、龍口流速快、落差大，明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑以致拋投料難以穩(wěn)定堆積以及截流施工難度大、施工效率低等。本文基于金沙水電站工程實(shí)踐，針對(duì)施工中的各項(xiàng)難點(diǎn)，研究相應(yīng)的技術(shù)措施，提出截流施工方案，并評(píng)估應(yīng)用效果。

1 工程概況

金沙水電站位于金沙江攀枝花河段，上游與觀音巖水電站銜接，下接銀江水電站。金沙水電站采用“左廠右泄”布置格局，即左岸布置電站建筑物，右岸布置泄洪、導(dǎo)流設(shè)施，電站總裝機(jī)容量為560 MW(4×140 MW)。樞紐建筑物從左至右依次為：魚(yú)道，河床式電站廠房，3個(gè)孔口尺寸為14.5 m×23.0 m(寬×高，下同)的泄洪表孔，縱向圍堰壩段，右邊布置的導(dǎo)流明渠在三期改建為2個(gè)孔口尺寸為14.5 m×23.0 m的泄洪表孔和1個(gè)6.0 m×15.0 m的生態(tài)泄水孔。

該工程施工期采用明渠分期導(dǎo)流方式，共分為3期：一期進(jìn)行右岸導(dǎo)流明渠和混凝土縱向圍堰施工；二期進(jìn)行主河床截流，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；三期進(jìn)行明渠截流，在三期上、下游枯水期土石圍堰和混凝土縱向圍堰保護(hù)下施工三期基坑內(nèi)的2孔右岸溢流壩段和右岸非溢流壩段。三期上下游圍堰為4級(jí)建筑物，擋水時(shí)段為11月至次年5月(5%最大瞬時(shí)洪水流量3 500 m3/s)，其中11～12月由河床2個(gè)表孔、1個(gè)表孔缺口和4個(gè)排沙孔泄流，1～4月由河床2個(gè)表孔和4個(gè)排沙孔泄流，5月由河床3個(gè)閘門安裝完成的表孔和4個(gè)排沙孔泄流。

2 導(dǎo)流明渠截流施工難點(diǎn)

綜合金沙水電站水文地質(zhì)資料、前期研究成果與現(xiàn)場(chǎng)施工條件，進(jìn)行三期導(dǎo)流明渠截流施工主要有以下難點(diǎn)。

(1) 流量大、龍口流速快、落差大。根據(jù)前期模型試驗(yàn)，當(dāng)截流流量Q=1 470 m3/s時(shí)，龍口中心線處最大垂線平均流速達(dá)6.93 m/s，龍口下游的最大流速為9.31 m/s，截流最終落差為4.53 m，水力學(xué)指標(biāo)非常高，截流難度大。

(2) 拋投料難以穩(wěn)定堆積。在導(dǎo)流明渠內(nèi)進(jìn)行截流施工，過(guò)水面相對(duì)狹窄，且存在水流深、流速大等問(wèn)題，同時(shí)明渠底板及兩側(cè)均為混凝土面，糙率較低，拋投料難以穩(wěn)定堆積，容易流失。

(3) 備料任務(wù)艱巨。導(dǎo)流明渠截流過(guò)程中塊石料、特殊物料需求量大，粒徑要求高，需二次篩選滿足截流要求的大塊石及特大塊石，并進(jìn)行混凝土六面體、鋼筋石籠、合金網(wǎng)兜加工，考慮備料場(chǎng)地有限，備料任務(wù)十分艱巨。

(4) 施工難度大、施工效率低。考慮該工程總體施工布置，導(dǎo)流明渠截流戧堤填筑施工道路必須經(jīng)上游索道橋至戧堤堤頭，上游索道橋通行能力有限(雙車載重通行，限制總重45 t/車，間距100 m；單車載重通行，總重55 t/車，車輛限速5 km/h)，上游索道橋右岸橋頭至戧堤堤頭道路狹窄且坡度陡，上述條件均制約著導(dǎo)流明渠截流施工強(qiáng)度。

3 導(dǎo)流明渠截流技術(shù)措施研究

為解決金沙水電站導(dǎo)流明渠截流施工中的眾多難點(diǎn)，借鑒其他工程截流技術(shù)措施[8-11]，并結(jié)合金沙江水電站工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從以下6個(gè)方面進(jìn)行導(dǎo)流明渠截流技術(shù)措施研究：① 綜合截流難度、施工工期和安全經(jīng)濟(jì)等多因素，確定合理的截流方案；② 提高截流摩擦阻力，以降低截流難度，提升截流效率；③ 改善分流條件，以保障截流施工順利實(shí)施；④ 調(diào)度協(xié)調(diào)上游電站，為導(dǎo)流明渠截流創(chuàng)造更好的截流條件；⑤ 防止堤頭塌滑；⑥ 多技術(shù)綜合保障，確保截流施工方案成功應(yīng)用。

3.1 確定合理截流方案

金沙水電站三期導(dǎo)流明渠截流時(shí)，2個(gè)表孔、1個(gè)表孔缺口與4個(gè)排沙孔同時(shí)泄流，泄流條件復(fù)雜，水力學(xué)計(jì)算相關(guān)參數(shù)難以選取，加之明渠截流落差超過(guò)4 m，明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑不利于拋投料的穩(wěn)定堆積，截流難度較大。為實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)截流，制定合理的截流實(shí)施方案，決定開(kāi)展截流物理模型試驗(yàn)研究。

截流模型試驗(yàn)包括分流建筑物泄流能力試驗(yàn)和截流試驗(yàn)。分流建筑物泄流能力試驗(yàn)需實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：將截流戧堤閉氣，比較攔沙坎缺口寬度對(duì)分流設(shè)施分流能力的影響，推薦合理的缺口寬度；觀測(cè)2個(gè)表孔、1個(gè)表孔缺口與排沙孔的泄流能力，繪制泄流能力曲線，為計(jì)算截流進(jìn)占過(guò)程分流建筑物分流比提供依據(jù)；驗(yàn)證戧堤頂高程設(shè)計(jì)的合理性，計(jì)算閉氣落差。截流試驗(yàn)研究則通過(guò)觀測(cè)不同截流方案進(jìn)占過(guò)程中各口門寬度的流態(tài)、水位及截流落差、戧堤堤頭及龍口流速、所需拋投料粒徑、換料時(shí)口門寬、拋投料流失情況、堤頭坍塌情況等，分析各截流方案的可行性和優(yōu)劣，進(jìn)一步優(yōu)化截流物料選擇和戧堤軸線，將戧堤軸線上調(diào)至縱向圍堰上游端頭部位且與縱向圍堰近平行布置，并綜合截流難度、施工工期和安全經(jīng)濟(jì)等多方面因素確定合適的截流方案。根據(jù)截流模型試驗(yàn)優(yōu)化確定的截流方案平面布置如圖1所示。

圖1 金沙水電站導(dǎo)流明渠截流平面布置Fig.1 Plane layout of open diversion channel closure of Jinsha Hydropower Station

模型試驗(yàn)成果表明：① 截流戧堤合龍后的戧堤落差均小于閉氣落差，設(shè)計(jì)流量Q=1 470 m3/s時(shí)，合龍后戧堤落差為4.52 m，略小于截流總落差4.97 m；流量Q=950 m3/s時(shí)，截流合龍終落差為3.94 m，略小于截流總落差4.40 m；流量Q=480 m3/s時(shí)，截流合龍終落差為2.43 m，小于截流總落差3.12 m。② 在設(shè)計(jì)流量Q=1 470 m3/s時(shí)，龍口寬由B=103 m(b=63 m)逐漸束窄至合龍過(guò)程中，堤頭及龍口流速逐漸減小，其中B=79～53 m(b=39～13 m)段為截流最困難段。在B=73 m(b=33 m)時(shí)，龍口中心線處最大垂線平均流速達(dá)5.46 m/s，龍口下游的最大流速為9.31 m/s。在B=63 m(b=23 m)時(shí)，堤頭坡腳已經(jīng)與縱向圍堰相交，隨著水深的逐漸減小，雖然流速依舊較大，因有石料墊底，拋投材料抗沖穩(wěn)定能力增加，截流難度顯著下降。

3.2 提高截流摩擦阻力

金沙水電站導(dǎo)流明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑，不利于拋投料的穩(wěn)定堆積，大大增加了截流難度。在截流實(shí)施過(guò)程中，為有效克服此不利因素，降低截流難度，提升截流效率，提出了以下提高截流摩擦阻力的技術(shù)措施：① 明渠底板預(yù)先埋設(shè)工字鋼；② 明渠側(cè)墻預(yù)先埋設(shè)錨鉤；③ 靠近縱向圍堰混凝土光滑面一側(cè)先行施工墩頭戧堤。通過(guò)上述措施的應(yīng)用，大大增加了導(dǎo)流明渠過(guò)流斷面內(nèi)的摩擦阻力，提高了截流過(guò)程中拋投料堆積的穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低了截流難度，為成功截流創(chuàng)造了有利條件。

3.3 改善分流條件

金沙水電站導(dǎo)流明渠截流期間由河床2個(gè)表孔、1個(gè)表孔缺口和4個(gè)排沙孔進(jìn)行泄流分流：2個(gè)表孔頂部高程為999.0 m，寬14.5 m；1個(gè)表孔缺口頂部高程為990.0 m，寬11.0 m；4個(gè)排沙孔進(jìn)口高程為975.9 m，尺寸為8.3 m×5.0 m(寬×高)，出口高程為989.1 m，尺寸為6.0 m×2.0 m(寬×高)。

由于工程分流條件差，在該情況下進(jìn)行截流施工難度較大。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，提出在二期上游圍堰(拆除至高程997.0 m)設(shè)置一處攔沙坎缺口，攔沙坎在流量Q為950 m3/s和480 m3/s時(shí)，可有效降低截流難度。上游攔沙坎缺口具體布置為：在靠近縱向圍堰一側(cè)布置，缺口中心線正對(duì)1號(hào)表孔；缺口底寬12 m，底部高程為990.0 m，兩側(cè)坡比為1∶1.5。在施工過(guò)程中可根據(jù)二期圍堰開(kāi)挖情況適當(dāng)加寬，以進(jìn)一步改善分流條件，降低截流難度。

3.4 聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化截流施工條件

過(guò)壩流量的大小將直接影響金沙水電站導(dǎo)流明渠截流的難易程度，而過(guò)壩流量又直接受上游觀音巖水電站運(yùn)行調(diào)控影響(1臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)Q=645 m3/s，5臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)Q=3 225 m3/s，可調(diào)控范圍大)。在導(dǎo)流明渠三期截流期間，項(xiàng)目建設(shè)單位積極主動(dòng)與觀音巖電廠溝通協(xié)調(diào)，在截流戧堤合龍的時(shí)段內(nèi)，進(jìn)行合理的運(yùn)行調(diào)控，減小了觀音巖電站的下泄流量，為金沙水電站導(dǎo)流明渠截流創(chuàng)造了在小流量條件下進(jìn)行截流的條件，能夠極大程度降低截流難度，加快截流施工進(jìn)度，保證施工效率。

3.5 防止堤頭塌滑

為防止拋投時(shí)堤頭坡面失穩(wěn)，提出以下綜合措施。

(1) 堤頭挑流和堰體尾隨拋投。在戧堤進(jìn)占時(shí)，向上游角或同時(shí)向上、下游角凸出進(jìn)占，挑開(kāi)急流，形成戧端緩流區(qū)，以保護(hù)堤頭拋填進(jìn)占，同時(shí)戧堤兩側(cè)的堰體及時(shí)跟進(jìn)尾隨拋填，以防護(hù)進(jìn)占戧堤側(cè)面坍塌事故的發(fā)生。

(2) 高強(qiáng)度進(jìn)占拋投。在截流進(jìn)占水力學(xué)條件最不利的情況下，加大拋填強(qiáng)度，突擊進(jìn)占，克服不利的水力學(xué)條件，同時(shí)高強(qiáng)度拋填對(duì)于減輕堤頭坍塌程度也有直接作用。

(3) 變換堤頭拋投方法。進(jìn)占初期采取自卸汽車直接卸料拋投的方法。隨著拋投的推進(jìn)，堤頭邊坡逐漸變陡，汽車直接拋投已不適用，這時(shí)可改用汽車堤頭集料，推土機(jī)趕料拋投的方法。隨著堤頭邊坡的進(jìn)一步變陡，雖已大于臨界坡度，但顆粒咬合作用的存在不會(huì)讓堤頭坍塌，這時(shí)改用汽車載大塊石沖砸拋投的方法可以順利完成進(jìn)占拋投工作。

(4) 誘導(dǎo)坍塌。當(dāng)戧堤堤頭坡度大于填料的自然穩(wěn)定坡度并接近于臨界坡度時(shí)，堤頭有坍塌風(fēng)險(xiǎn)，采用大塊石拋投卸料沖砸實(shí)施誘導(dǎo)坍塌，人為提前消除風(fēng)險(xiǎn)，避免在拋投時(shí)自然坍塌可能造成的機(jī)毀人亡安全事故，保障施工人員的安全。

3.6 綜合技術(shù)保障

為確保實(shí)際施工中金沙水電站導(dǎo)流明渠截流的順利實(shí)施，可在工程現(xiàn)場(chǎng)采取以下措施綜合保障施工。

(1) 施工前組織專家審查截流方案。為全面評(píng)估金沙水電站導(dǎo)流明渠截流方案的可行性和安全性，項(xiàng)目建設(shè)單位可提前組織專家對(duì)截流方案進(jìn)行審查，對(duì)截流實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重難點(diǎn)進(jìn)行充分討論，提前預(yù)判施工過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并提出針對(duì)性解決措施，以便施工時(shí)能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，減小或規(guī)避發(fā)生施工事故的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 充分完成備料工作。該工程導(dǎo)流明渠截流拋投量大，拋投強(qiáng)度高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，截流物料的需求量大、供料保證性要求高，且導(dǎo)流明渠過(guò)流條件對(duì)截流物料提出了高要求，因此在施工前以及整個(gè)施工過(guò)程中需要保證備料工作的充分完成，以免影響施工進(jìn)度。

(3) 加強(qiáng)截流組織和各項(xiàng)保障工作。在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置截流指揮中心，根據(jù)截流工程的任務(wù)和特點(diǎn)，成立截流指揮中心工作組，并設(shè)置技術(shù)組、監(jiān)測(cè)組、施工組、資源組、后勤組、應(yīng)急救援組，在施工過(guò)程中，各工作組各司其職、各負(fù)其責(zé)、有序組織開(kāi)展導(dǎo)流明渠截流前后的各項(xiàng)工作，確保技術(shù)服務(wù)充分、監(jiān)測(cè)緊跟、施工有序、資源充足、后勤保障有力、應(yīng)急救援及時(shí)，以保障截流實(shí)施的有序開(kāi)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

金沙水電站導(dǎo)流明渠截流流量大，龍口流速快、落差大，明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑以致拋投料難以穩(wěn)定堆積，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，截流難度大，工期緊張。為此，開(kāi)展了導(dǎo)流明渠截流技術(shù)措施相關(guān)研究，通過(guò)開(kāi)展截流物理模型試驗(yàn)確定了關(guān)鍵水力學(xué)參數(shù)并優(yōu)化截流物料選擇和戧堤布置位置，提出了合理的截流方案。同時(shí)，為解決施工中的難點(diǎn)，提出了提高截流摩擦阻力、改善分流條件、控制下泄流量、防止堤頭塌滑以及其他綜合技術(shù)保障措施，有效降低了截流施工難度，大大提升截流施工效率。