新集水電站二期主河床截流設計與施工技術

齊 強 白 成 鮑石平

(中國水利水電第四工程局有限公司,青海 西寧 810000)

1 工程概況

新集水電站樞紐工程位于漢江中游河段湖北省襄陽市境內(nèi),壩址位于襄陽市的白馬洞,上距王甫洲樞紐約48.0km(水路距離為40.80km),下距崔家營樞紐約63.5km(水路距離為41.70km),是漢江中下游規(guī)劃開發(fā)梯級之一。開發(fā)任務為發(fā)電、航運、水資源和生態(tài)環(huán)境保護,水庫建成后,還可改善庫區(qū)灌溉用水條件[1]。

新集水電站為Ⅱ等大(2)型工程,正常蓄水位76.23m;總裝機容量120MW;年發(fā)電量5.09億kW·h;航道標準為Ⅲ級,船閘設計標準1000t級。主要建筑物有泄水閘、電站廠房、船閘、土石壩、魚道等。

第一期縱向圍堰布置在主河床左側(cè)漫灘,電站廠房、泄水閘、船閘等主體建筑物均布置在此區(qū)域。一期由右側(cè)主河床導流和通航,設計流量12000m3/s,上、下游水位分別為73.35m和71.49m。二期主河床截流,不設圍堰圍護,直接填筑土石壩,采用已建成的24孔泄水閘導流。同時一期基坑進水前,下放電站進水口檢修閘門及尾水事故檢修閘門擋水,繼續(xù)進行機組安裝。二期土石壩施工期為11月至次年5月,洪水標準選用10%頻率11月至次年4月洪峰流量3200m3/s,相應上游水位67.94m,下游水位67.60m。

新集水電站工程于2020年12月16日開工;2021年4月30日完成一期圍堰施工;2021年9月2日首倉混凝土開盤澆筑;2022年9月9日泄水閘24孔弧形閘門安裝完成;2022年10月30日壩頂交通貫通。合同工期要求2022年11月中下旬進行主河床截流,2023年5月1日第一臺發(fā)電機組發(fā)電,2023年10月31日第四臺發(fā)電機組發(fā)電,2024年1月31日工程完工。

1.1 水文氣象

漢江流域暴雨多出現(xiàn)在7—9月,流域洪水的時空分布與暴雨一致,夏、秋季洪水分期明顯,夏季洪水歷時較短,峰高量大。新集水電站壩址天然施工洪水設計成果、多年平均流量、水位-流量關系見表1～表3。

表1 新集水電站洪水設計成果 單位:m3/s

表2 新集水電站多年平均流量

表3 新集水電站水位-流量關系

1.2 地形、地質(zhì)條件

壩址區(qū)屬平原型河谷地貌,河谷開闊,河道總寬約1350m,主河道位于右岸一側(cè),水面寬300～500m,水深一般為1.5～4.5m,受上游丹江口水利樞紐夜間調(diào)峰發(fā)電流量的影響,河水位一般會有0.5～1m的變幅。左岸為Ⅰ、Ⅱ級階地,Ⅰ級階地階面高程71～74m,Ⅱ級階地階面高程80～85m。右岸為丘陵地形,山頂高程85～120m,最高139.59m,臨江岸坡呈陡坡地形,坡度一般20°～40°。

主河床土石壩位于漢江右岸主河道一側(cè),地勢靠近船閘側(cè)最高,靠近右側(cè)最低,地勢有較大起伏,地面高程為57.39～69.32m。經(jīng)過幾年汛期沖刷,地面高程出現(xiàn)較大變化,2022年3月實測地形,河床底部高程最低為53.98m,較原地形降低3.41m。

2 主要特點及難點

根據(jù)工程水文地質(zhì)資料、截流水力學模型試驗成果、截流物料的種類及現(xiàn)場施工條件,二期截流存在以下特點和難點[2]:

a.工程壩址位于平原型深河谷地段,壩址上下游4km范圍內(nèi)河床呈左高右低,河谷靠右岸崗地一側(cè),擬導流的泄水閘位于左側(cè),泄水閘底板高程為63.2m,上下游河段4km為淺漫灘,上游淺漫灘平均高程為66.0m,而右岸漢江河床最低高程為53.98m,在枯水期水面高程為64.5m,河道來水全部經(jīng)右側(cè)河床下泄,天然分流條件差。

b.工程壩址區(qū)河床地質(zhì)、水文條件復雜,大部分河床為深厚砂卵石覆蓋層,抗沖能力弱。3號滑坡體臨近右岸河道,過度沖刷可能造成滑坡體失穩(wěn)。

c.右岸臨時交通道路狹窄且截流物料不足;龍口位于河床深槽位置,水深、流速大、流態(tài)復雜,小粒徑拋投料抗沖能力差難以穩(wěn)定,戧堤堤頭容易坍塌。

d.左岸砂石料、黏土巖、塊石、異型混凝土塊等拋投料充足,交通便利,作業(yè)面大,戧堤預進占可與右岸土石壩同步進行,形成寬戧進占的效果。

3 截流設計

3.1 截流時間及相應流量

根據(jù)工期安排,結(jié)合模型試驗成果,考慮水文地質(zhì)情況、現(xiàn)場施工條件等因素[3-4],擬定2022年10月中旬開始圍堰拆除作業(yè),2022年11月下旬截流,截流設計流量取多年的11月平均流量878m3/s。

另依據(jù)《截流模型試驗報告》相關資料分析,在泄水閘Ⅰ區(qū)部位上游側(cè)至主河床范圍開挖一條寬100m、底高程63.2m的明渠,其余部位為66m高程;泄水閘至下游圍堰疏挖到63.5m,可局部改善分流條件。

3.2 截流方式

經(jīng)過截流模型水力學數(shù)據(jù)的研究,結(jié)合漢江新集水電站截流時左右岸現(xiàn)有的截流料儲量、施工道路布置、設備資源投入等因素,決定采用單戧立堵的方式進行截流,從左岸向右岸單向進占。右岸設40m裹頭,使截流過程中的高速水流對右岸坡腳及3號滑坡體沖刷的影響最小。

3.3 截流戧堤布置

根據(jù)設計藍圖可知截流戧堤為右岸主河床土石壩的一部分,布置在右岸主河床軸線的上游側(cè)。戧堤軸線在壩上0+45.9處,距右岸主河床防滲墻軸線44.9m。

根據(jù)導流建筑物的實際分流條件和過流能力可知,當截流流量為878m3/s時,分流后戧堤前水位約為66m,截流合龍后相應的堰前水位約為67.77m,為滿足截流要求和施工安全,截流戧堤的堤頂高程定為69.0m。

3.4 戧堤斷面

為滿足截流戧堤的穩(wěn)定、截流填筑交通以及拋投強度的要求,堤頂寬度確定為21m,其最大填筑高度為15m,上游坡比為1∶1.5,下游坡比1∶1.5,堤頭推進形成自然坡,截流中需控制其推進坡比不陡于1∶1.25。戧堤斷面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 戧堤斷面結(jié)構(gòu) (高程單位:m;尺寸單位:cm)

3.5 龍口位置及寬度

根據(jù)水力計算及模型試驗成果,分析截流時的流態(tài)、上下游水位差、龍口流速、單寬流量、龍口沖刷和拋投強度以及流失率等水力學指標[5],確定左岸向右岸預進占271m,右岸向左岸進占40m,設置裹頭保護,形成60m寬的龍口。戧堤進占及龍口位置見圖2。

圖2 戧堤及龍口分區(qū)剖面圖

3.6 截流水力學指標的確定

為確保截流工作經(jīng)濟安全,并解決相關關鍵技術問題,采用數(shù)學模型對截流相關數(shù)據(jù)進行了試驗研究。考慮上游丹江口水庫的調(diào)蓄作用,截流時流量應小于1480m3/s。試驗成果結(jié)合現(xiàn)場實際,在原地形、實測地形兩種地形邊界以及設計及實測兩種水位流量關系邊界條件下,對截流設計流量Q=2450m3/s、Q=1480m3/s、Q=878m3/s、Q=500m3/s四級流量下截流進占過程水力特性進行了測試及分析。其中Q=878m3/s截流設計流量對應的龍口水力指標見表4。

表4 龍口段進占截流水力特性匯總(Q=878m3/s)

3.7 龍口分區(qū)及拋投物料

截流戧堤處河床寬度371m,根據(jù)各工況下的水力計算指標及拋投材料抗沖流速等數(shù)據(jù),將戧堤劃分為左岸預進占段271m、龍口段60m、右岸裹頭段40;龍口段分為龍口Ⅰ區(qū)、龍口Ⅱ區(qū)、龍口Ⅲ區(qū)。

截流材料的選擇需根據(jù)水力計算及截流模型試驗確定的指標,同時參照類似工程截流施工實踐經(jīng)驗,截流拋投材料分別選擇石渣料、大塊石、鋼筋(鉛絲)石籠及混凝土四面體。具體如下:

龍口Ⅰ區(qū):龍口寬度為60～40m,計算龍口平均流速為1.49～3.33m/s,最大流速為3.54m/s。計劃采用中小石料拋投即可。

龍口Ⅱ區(qū):龍口寬度為40～20m,計算龍口平均流速為3.33～2.23m/s,最大流速為3.6m/s。計劃采用中石、大塊石、混凝土塊、四面體及鋼筋(鉛絲)石籠等物料拋投。

龍口Ⅲ區(qū):龍口寬度為20～0m,計算龍口平均流速為2.23～0m/s,最大流速為3.6m/s。計劃拋投料主要為中石料、四面體及鋼筋(鉛絲)石籠等,并在合龍段可采用部分石渣料。

3.8 龍口護底

根據(jù)現(xiàn)場周邊實際地形及施工條件,龍口段平拋護底無條件實施;經(jīng)充分討論研究確定,不進行龍口護底,擬采用提高拋投料的粒徑、加大拋投強度等方式解決水流對河床的沖刷問題。

3.9 截流強度和施工設備

左岸預進占段長271m,計算填筑量94595m3,計劃工期28d,平均強度為3378m3/d。龍口段60m,計算拋投量32971m3,計劃歷時36h,平均強度916m3/h,高峰強度1465m3/h。右岸裹頭40m,計算拋投量12840m3,鋼筋石籠360個。計劃工期14d,前7天填筑,后7天主要吊裝鋼籠石籠。填筑平均強度1835m3/d,安裝強度52個/d,鋼筋(鉛絲)石籠需提前完成制作、裝填石塊。

為滿足截流拋投強度的要求,必須配備足夠的裝、挖、吊、運設備,優(yōu)先選用大容量、高效率、機動性好的設備。挖裝設備主要選用1.6～2.0m3的反鏟和裝載機,特大石、大石選用2.0m3液壓反鏟或16t汽車式起重機挖裝,中塊石及石渣料等選用2.0m3液壓反鏟和1.6m3液壓挖掘機挖裝,鋼筋(鉛絲)石籠、塊石串選用25t/16t的汽車式起重機吊裝。運輸設備主要選用25t自卸汽車。根據(jù)計算,需要25t自卸汽車共80輛,推土機3臺、挖裝設備14臺、汽車式起重機4臺、裝載機4臺、油料車2輛、灑水車2輛投入截流施工。

3.10 截流水情預報

水文氣象預報對截流工程十分重要,影響和制約截流的成敗。業(yè)主委托氣象臺專項預報,河床流量測報頻率為每五小時報一次。當流量變化大于50m3/s時,每2小時報一次,流量變化大于100m3/s時,每小時報一次。

截流前在左岸隔流堤上、下游端頭及泄水閘進出水口各設一組水位尺,共四組水位尺。預進占及截流期間分別派專人觀測水位,預進占每4小時觀測一次;龍口合龍期間每小時觀測一次,定時觀測。

截流時龍口測流速難度大,采用浮標測流速方法。用電子流速測讀儀和激光全站儀,隨時測讀流速和落差,觀測河流流態(tài)及河床沖淤情況,觀測拋投體被沖動的情況,觀測水位及龍口水力情況。

4 截流施工

4.1 截流備料

根據(jù)截流戧堤的布置及結(jié)構(gòu),戧堤填筑石料流失系數(shù)按1.5考慮則龍口段分區(qū)拋投工程量約為32971m3,預進占段石渣料及中石料約為94595m3,具體見表5。

為保證截流順利完成,應對可能出現(xiàn)的不利工況(2450m3/s),結(jié)合歷年水情資料,龍口段備料系數(shù)按2～3考慮,則龍口拋投料總備料量為9.9萬m3。

4.2 截流道路設計

根據(jù)截流和圍堰填筑備料場規(guī)劃及現(xiàn)場實際條件,截流施工左岸交通主要利用未拆除部分圍堰堰頂碎石路面。主要道路寬度不小于15m,坡比不大于6%。

考慮截流時主要以左岸進占為主,在預進占時,同時填筑下游主體結(jié)構(gòu)的強夯平臺,形成開闊的作業(yè)平臺。

作業(yè)平臺主要用作戧堤填筑時各種截流備用料的運輸回車場以及大塊石、四面體、鋼筋(鉛絲)石籠的堆放。

4.3 截流施工策劃

為保障截流順利實施,項目部組織編寫了截流施工方案,并對每一個參與人員進行培訓并發(fā)放截流工作業(yè)指導書,確保每個小組、每個參與人員、每個崗位都能明確自己的職責。同時組織相關單位和公司的導截流專家和領導現(xiàn)場培訓指導,解決現(xiàn)場突發(fā)情況,確保截流順利完成[6-7]。

4.4 右岸裹頭段施工

按照右岸主河床的布置情況,截流戧堤為右岸主河床的一部分,布置在右岸主河床軸線的上游側(cè)。戧堤軸線在壩上0+45.9處,距右岸主河床防滲墻軸線44.9m。截流模型試驗成果顯示,本工程截流時因河床砂礫層較厚,隨著流量的逐步加大,對右岸及龍口段河床沖刷較為嚴重。為避免因預進占束窄河床后出現(xiàn)大的沖刷,對上游截流戧堤對應的右岸堤頭預進占40m,進占采用不小于0.4m的石渣料進占,裹頭采用大塊石和鋼筋(鉛絲)石籠防護,鋼筋(鉛絲)石籠之間采用鋼絲繩進行整體連接。裹頭進占戧堤頂部高程為70～69m,頂部形成作業(yè)平臺,并在龍口截流前準備3000m3大塊石,以備龍口截流時應急使用。

2022年10月17日開始右岸裹頭段進占施工,11月6日完成裹頭防護,右岸裹頭段施工完成。

4.5 預進占施工

左岸預進占長度為271m,按過水流量Q=878m3/s水力計算指標,平均最大平均流速1.49m/s。進占時266m之前采用砂礫石進占,預進占段剩余5m采用塊石含量較多的石渣料(0.4m以上粒徑)進占。

預進占段水力條件較好,流速較小,一般石渣料可填筑,前期填筑時3個卸料點進占不分先后、齊頭并進。接近龍口段時采用凸出上游挑角法進行填筑,減少拋投料的流失量。

預進占段進占后跟進主體土石壩強夯平臺的填筑,與戧堤結(jié)合形成寬戧效果,提高戧堤的穩(wěn)定性[8-9]。

2022年10月17日開始進占,2022年11月14日完成施工。

4.6 龍口段施工

龍口Ⅰ區(qū):龍口Ⅰ區(qū)主要采用凸出上游挑角法配合全斷面推進,施工時進展順利,歷時7h完成。

龍口Ⅱ區(qū):施工進占至龍口Ⅱ區(qū),戧堤前水位持續(xù)升高,流速迅速增大,龍口底部逐漸形成三角形,拋投料流失嚴重,左岸分流量又未達預期,進入截流困難段,進占困難?，F(xiàn)場實測流速為4.36～5.45m/s,龍口最大流速達6.3m/s。為保證截流順利進行,進占料全部采用0.7～1.0m大塊石料并配合異形混凝土塊(串)、鋼筋(鉛絲)石籠(串)及四面體進占(串),并進行上挑腳進占,戧堤軸線以及下挑腳適當跟進,同時拋投混凝土四面體和鋼筋石籠,并加大拋投強度,集中投料,用時15h完成。

龍口Ⅲ區(qū):龍口合龍至20m時,施工難度進一步加大,龍口水流流速實測量為6.3～7.62m/s,最大流速為7.62m/s,單寬流量和功率比較大,且落差逐漸增大,戧堤上下游水頭差達3m以上,進占異常緩慢。在此過程中,經(jīng)現(xiàn)場專家及領導研究決定繼續(xù)采用上挑腳進占,同時中間及下游及時跟進。上挑角拋投料用混凝土四面體5個以上連成一串,3串以上再用鋼絲繩連成一個整體,使用吊車、挖掘機、堆土機配合集中拋投,鋼筋(鉛絲)石籠和鋼絲網(wǎng)兜也采用同樣方法拋投,將其穩(wěn)定在堤頭上游,挑開水流;同時為減小堤腳流失率,中間及下游跟進時采用異形混凝土塊(串)、大塊石(串)拋投,達到固腳作用。用時17h順利合龍[10-11]。

2022年11月18日6時58分新集水電站開始龍口截流,至19日22時整龍口合龍,截流成功。歷時39h2min,截流時段流量為1020m3/s,實測最大龍口水深13.26m,龍口最大流速達7.62m/s,截流落差3.2m,戧堤頂部高程69.5m。截流戧堤拋投總量185525m3,龍口拋投量67464m3,最大小時拋投強度達到2568m3。實測分流流量及龍口水力學指標見表6。

表6 截流過程水流實測參數(shù)統(tǒng)計

5 結(jié) 語

從總體看,新集水電站截流施工滿足技術、經(jīng)濟及工期要求。施工前結(jié)合模型試驗成果及歷年水情資料,考慮了4種不同的流量工況,確定采用2450m3/s工況進行截流備料。事實證明這種考慮很有前瞻性。同時,利用一期圍堰拆除料進行龍口進占,有效減少了拋投料的流失量,降低了施工成本;截流布置、備料、設備與后期主體工程相結(jié)合,降低了截流風險,有效節(jié)約了施工成本;作業(yè)平臺及道路規(guī)劃合理,主體結(jié)構(gòu)斷面與戧堤同步回填形成寬戧,使截流時有寬闊的平臺,險情出現(xiàn)時有足夠的場地;道路通暢,為加大截流強度創(chuàng)造了條件?；炷链摶\(鉛絲)石籠串、鋼絲網(wǎng)兜串備料充分,集中拋投有利于迅速進占,減少流失量。右岸裹頭防護可靠,備料合理。采用大塊石與鋼筋(鉛絲)石籠+鋼絲繩結(jié)合進行裹頭防護,增加了右岸應急作業(yè)平臺,減少了高速水流對裹頭的沖刷,為龍口快速合龍贏得了時間。截流備料充分、機械設備配置合理,調(diào)度迅速及時;全過程應急預案齊全,操作性強。

現(xiàn)場地形復雜情況下模型試驗與實際施工存在一定偏差,施工設計時應充分考慮不同流量下的不利因素,使截流設計更接近實際施工,保證截流順利進行。分流條件直接影響截流難度。在現(xiàn)場條件允許情況下,應盡量改善分流條件,降低截流難度。采用加大拋投強度的方法優(yōu)化了龍口河床護底方案,施工難度略有增大,但節(jié)約了工程投資,保證了工期。

新集水電站截流施工過程表明:工程截流準備充分、施工組織精細,保證了截流施工的 圓滿完成。技術方案、設備及截流所需物資等準備充分。制定的截流施工全過程各項預案齊全詳盡,保證了截流施工成功。截流施工現(xiàn)場規(guī)劃、設計、組織有序詳盡,整個截流過程有條不紊,截流工程施工取得圓滿成功,為后續(xù)平原型深河谷地貌截流施工積累了更為豐富的寶貴經(jīng)驗。