工程截流裹頭設(shè)計及防護(hù)

張 杰， 廖 雯， 陳 榮

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

1 概 述

拉哇水電站位于金沙江上游，左岸為四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉(xiāng)，右岸為西藏昌都自治州芒康縣朱巴籠鄉(xiāng)，是金沙江上游13級開發(fā)方案中的第8級，總裝機(jī)容量2 000 MW，水庫正常蓄水位2 702 m。

工程截流標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇11月平均設(shè)計流量Q=639 m3/s，對應(yīng)截流戧堤擋水水位2 548.193 m，戧堤堤頂高程2 550 m。截流戧堤施工區(qū)河道為深厚軟弱堰塞湖相沉積形成的覆蓋層，工程性狀差，覆蓋層厚度65～68 m。白格堰塞湖潰堰洪水過后，壩址區(qū)河床平均降低1～2 m，表層Qal-5砂卵石層抗沖能力差。

截流中，裹頭是合龍前保護(hù)戧堤端頭的防護(hù)結(jié)構(gòu)，也是保護(hù)戧堤龍口的重要措施，防止截流過程中水流沖刷造成龍口坍塌，為工程順利截流提供保障。 工程采用單戧寬戧堤從左向右單向立堵的截流方式，將截流材料從龍口左端向右端拋投進(jìn)占，逐漸束窄龍口，直至全部截斷[1]。為保證右岸堤頭及邊坡穩(wěn)定，在合龍前，采用大塊石、鋼筋石籠等對右岸堤頭及戧堤上下游約23 m范圍的邊坡進(jìn)行全面防護(hù)。工程截流期間，龍口右岸戧堤水下拋投的大塊石雖出現(xiàn)輕微脫空現(xiàn)象，但鋼筋石籠整體穩(wěn)定，為電站安全、高效合龍奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2 裹頭設(shè)計及防護(hù)

2.1 裹頭設(shè)計原則

在流量為Q=639 m3/s進(jìn)行模型試驗。在Q=639 m3/s工況下，工程截流龍口落差達(dá)9.41 m、龍口最大流速達(dá)11.30 m/s、堤頭上挑角最大流速超過3.56 m/s、戧堤軸線平均流速2.52 m/s、戧堤軸線水深超過8.34 m，最大龍口水流單位功率達(dá)79.39 t·m/s·m。模擬拋投進(jìn)占過程中，在龍口寬23 m和10 m時，戧堤軸線處的最大流速分別達(dá)7.85 m/s和8.66 m/s。預(yù)進(jìn)占階段未改變天然河道的主流行進(jìn)方向，龍口及附近水流平順。截流期間，戧堤裹頭處的拋投料受水流擾動和沖刷影響，存在少量拋投料被水流卷走，長時間沖刷后裹頭局部存在坍塌的現(xiàn)象。當(dāng)采用粒徑0.5 m左右的塊石對裹頭進(jìn)行保護(hù)后，裹頭和下游側(cè)戧堤堤頭各處均未出現(xiàn)流失和坍塌現(xiàn)象。在龍口寬度小于44 m時，戧堤滲透流量和流速增大，戧堤下游側(cè)受右側(cè)凸出山體影響，高流速對戧堤下挑角形成沖刷，進(jìn)占過程中戧堤下挑角受滲透和沖刷間歇性發(fā)生坍塌[2]。

鑒于截流模型試驗成果，工程截流前需要對右岸戧堤進(jìn)行裹頭保護(hù)。裹頭設(shè)計原則如下：

(1)防止堤頭被沖潰坍塌，裹頭滿足截流時水流沖刷要求；

(2)裹頭防護(hù)材料粒徑大于0.5 m；

(3)適當(dāng)擴(kuò)大裹頭保護(hù)范圍，防止截流戧堤下游發(fā)生坍塌；

(4)戧堤下裹頭受淘刷更為嚴(yán)重，要加強(qiáng)防護(hù)；

(5)裹頭的坡比經(jīng)修正后不陡于1∶1.3[3]；

(6)裹頭防護(hù)材料能在當(dāng)?shù)胤奖惬@取。

2.2 裹頭設(shè)計

2.2.1 裹頭防護(hù)拋頭體直徑、重量估算

裹頭防護(hù)拋頭體直徑及質(zhì)量計算采用經(jīng)驗公式估算：

(1)

(2)

式中d為拋頭體粒徑，折算成圓球體的直徑(m)；vmax為龍口平均流速(m/s)，2.52 m/s；k為綜合穩(wěn)定系數(shù)，取1.02；g為重力加速度(m/s2)，9.8 m/s2；ρm為拋頭體的密度(t/m3)，塊石取2.7 t/m3；ρ為水的密度(t/m3)，1 t/m3；W為拋頭體重量(t)。

安全系數(shù)為1.2～1.8，裹頭防護(hù)拋頭體直徑0.5～0.8 m，裹頭防護(hù)拋頭體重量0.18～0.73 t。

2.2.2 裹頭材料及防護(hù)范圍

工程截流裹頭防護(hù)采用大塊石(D=0.5～0.8 m)、特大塊石(D≥1 m)、鋼筋石籠等三種主要材料。鋼筋石籠尺寸為2 m×1 m×1 m(長×寬×高)，石籠主次筋均采用C20 mm鋼筋。鋼筋網(wǎng)格間距20 cm，采用焊接連接。鋼筋石籠內(nèi)碼放塊石，周邊塊石粒徑不小于30 cm，內(nèi)部充填密實，巖塊飽和抗壓強(qiáng)度不小于30 MPa。

裹頭防護(hù)范圍為右岸戧堤堤頭及上下游約23 m范圍內(nèi)。龍口右岸戧堤裹頭布置見圖1。

圖1 龍口右岸戧堤裹頭布置示意圖

2.2.3 裹頭結(jié)構(gòu)

戧堤裹頭采用大塊石、特大塊石及鋼筋石籠聯(lián)組結(jié)構(gòu)。其中，戧堤護(hù)腳采用塊徑0.5～0.8 m大塊石防止截流中河床被淘刷；水位變幅區(qū)以下護(hù)坡部分采用塊徑0.8 m以上的特大塊石；水位變幅區(qū)以上采用2 m×1 m×1 m鋼筋石籠防護(hù)，防護(hù)厚度4 m。右岸戧堤裹頭防護(hù)橫斷面圖見圖2。

圖2 右岸戧堤裹頭防護(hù)橫斷面圖

2.3 裹頭防護(hù)施工

(1)裹頭防護(hù)施工工藝流程：右岸戧堤預(yù)進(jìn)占→河床護(hù)底→戧堤水下護(hù)腳→水位變幅區(qū)以下特大塊石防護(hù)→水位變幅區(qū)以上戧堤補(bǔ)填、鋼筋石籠裹頭防護(hù)。

(2)裹頭防護(hù)施工工藝。①右岸戧堤部位先采用反鏟挖掘機(jī)在2 544.5 m高程戧堤平臺拋填大塊石進(jìn)占5 m，作為戧堤裹頭護(hù)腳及初期防護(hù)，施工從戧堤上游端頭部位開始，所采用的大塊石的直徑必須符合設(shè)計要求；②河床護(hù)底，根據(jù)龍口水位、水流流速、水面寬度、河床高程及鋼筋石籠尺寸、重量等特性，鋼筋石籠采用75 t汽車吊吊放，鋼筋石籠從下游向上游分層安放，兩岸安排測量人員采用拉標(biāo)尺線的方式進(jìn)行精確放樣、定位；護(hù)底鋼筋石籠安放時，汽車吊機(jī)停放在2 544.5 m高程戧堤預(yù)進(jìn)占平臺，鋼筋石籠吊索與汽車吊掛鉤間設(shè)置自動脫鉤裝置，確保精確安放、安全施工；③河床護(hù)底完成，對右岸戧堤水位變幅區(qū)以下坡面采用反鏟挖掘機(jī)拋投特大塊石加強(qiáng)裹頭防護(hù)，防護(hù)厚度至少2 m，特大塊石裹頭修坡坡比不能大于1∶1.3，保證裹頭防護(hù)自身的穩(wěn)定；④對右岸戧堤水位變幅區(qū)以上部位補(bǔ)填至高程2 550 m，每填筑一層、整平一層，鋼筋石籠防護(hù)一層；鋼筋石籠防護(hù)厚度4 m，人工配合75t汽車吊機(jī)采用“一丁一順”法擺砌，每層鋼筋石籠外側(cè)均采用鋼絲繩進(jìn)行鉸接，鋼筋石籠頂部采用C25 mm鋼筋焊接成整體結(jié)構(gòu)。

據(jù)統(tǒng)計，在我國已完成的截流工程中，只有極個別工程出現(xiàn)了實際來流量大于設(shè)計流量的情況[3]。為保障截流安全，在戧堤右岸多準(zhǔn)備一部分大塊石、鋼筋石籠，作為裹頭防護(hù)的應(yīng)急措施，裹頭有被沖毀跡象時，及時采取加強(qiáng)裹頭防護(hù)等措施,特殊情況將3～4塊大塊石串聯(lián)在一起，用推土機(jī)推入水中作為裹頭臨時防護(hù)。

3 實施效果

工程安排在2021年11月27日上午10時開始截流。截流期間，隨著戧堤進(jìn)占、龍口寬度逐步縮窄，右岸裹頭并未出現(xiàn)塌陷。當(dāng)龍口寬度縮窄到30 m、戧堤上下游水位落差6.46 m、流速7.57 m/s時，拋填進(jìn)入最困難期，右岸戧堤下挑角裹頭水下部分大塊石出現(xiàn)輕微脫空，但因鋼筋石籠仍保持整體穩(wěn)定，未發(fā)生下沉和塌陷。在歷經(jīng)12 h連續(xù)、高強(qiáng)度拋投后，電站于2021年12月27日21時58分成功截流。

4 結(jié) 語

大型水電工程的截流過程十分復(fù)雜，截流實施結(jié)果與原計劃存在一定的差距。在裹頭設(shè)計時，考慮河床深厚軟弱覆蓋層的存在，在使用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算的基礎(chǔ)上，利用截流模型試驗確定邊界條件，裹頭防護(hù)采用大塊石、特大塊石、鋼筋石籠聯(lián)組結(jié)構(gòu)防護(hù)措施。截流過程中，隨著龍口寬度的束窄，龍口最大流速的位置向龍口下游偏移，深厚軟弱覆蓋層的存在導(dǎo)致右岸戧堤下挑角裹頭水下部分大塊石出現(xiàn)輕微脫空情況，由于截流前準(zhǔn)備的大塊石、鋼筋石籠充分，設(shè)計科學(xué)，使險情并未發(fā)生，且取得良好效果，可為類似工程截流裹頭防護(hù)參考借鑒。