淺議瀑布溝工程截流設計

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1 工程概況及截流特點

1.1工程概況

　　瀑布溝水電站工程位于大渡河中游漢源與甘洛兩縣境內(nèi)，是以發(fā)電為主，兼有防洪、攔砂等綜合利用的大型水電工程。電站裝機容量330萬KW。電站樞紐由礫石土心墻堆石壩、地下廠房系統(tǒng)、開敞式溢洪道、泄洪洞及尼日河引水工程等組成。擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，最大壩高為186m。

　　大渡河在壩址處由南北流向急轉(zhuǎn)近東流向，平面上呈“L”型。上游圍堰布置于轉(zhuǎn)彎段，此段附近坡陡流急。上游圍堰河段呈較寬緩的不對稱“V”型 河谷，河床部位有較深厚覆蓋層約60m，自下而上由Q1-14卵礫石層（層厚5～20m）、Q1-24含漂卵石層（層厚20m左右）、Q24漂（塊）卵石層（層厚17m左右）三大層組成。各層滲透系數(shù)K值差異不大，滲透系數(shù)一般為2.3×10-2～1.04×10-1cm/s，具有強透水性，均屬強透水層。

　　工程采用圍堰擋水、隧洞導流、大壩基坑全年施工的導流方式。初期導流設計標準為30年一遇，設計流量7320m3/s。上、下游圍堰堰頂高程分別為722.5m、682.5m。工程擬采用立堵截流方式于2004年11月中旬實施河床截流，由兩條導流隧洞過流，截流流量選用11月中旬10年一遇旬平均流量1000m3/s。導流洞進口高程673.0m，出口高程668.0m，洞身為馬蹄形斷面，寬13m、高16.5m，斷面面積 201m2。1#導流洞洞長926.429m，底坡5.4‰，2#導流洞洞長1003.435m，底坡為5.0‰。

1.2截流特點

1、大渡河天然河床坡降大，水流湍急，11月中旬截流流量1000m3/s，模型試驗戧堤落差達5.69m，最大流速8.61m/s，屬大落差、高流速截流，截流難度大。

2、壩址處河床覆蓋層厚度一般40～60m，截流動床模型試驗中，戧堤下游最大沖坑深度5.41m。由于河床狹窄，水流流速大，無法進行戧堤龍口護底施工。

2 截流設計

2.1截流時段和截流流量

　　根據(jù)設計文件以及大渡河瀑布溝水電站工程截流模型試驗大綱評審會會議紀要精神，截流試驗研究以11月中旬截流作為基本研究條件。截流流量采用11月中旬10年一遇旬平均流量1000m3/s，非龍口段預進占流量采用11月上旬10年一遇旬平均流量1340m3/s，預進占戧堤裹頭保護流量采用11月（11月6日～11月30日）20年一遇最大流量1490 m3/s。

2.2截流方式、截流戧堤布置及龍口位置

2.2.1截流方式

　　在初步設計中，截流戧堤位于上游圍堰堰體內(nèi)，為大壩永久工程的一部分，戧堤軸線平行于大壩軸線。由于大渡河在該處由南北向急轉(zhuǎn)向東流向，致使戧堤軸線不與主流垂直，截流水力學條件比較復雜。在試驗大綱評審會中，專家們對截流戧堤布置進行了討論，一致認為，截流戧堤從原圍堰中分離出來，垂直于河床，在不影響導流洞進口流態(tài)條件下盡量上移至導流洞進口附近既有利于降低截流難度、改善截流水流條件，又有利于縮短戧堤長度，減少龍口合攏時間，同時截流材料的選擇也可不受圍堰填筑材料和施工工藝要求的限制，因此專家推薦采用該方案。同時根據(jù)現(xiàn)場施工條件，確定了截流戧堤采用單戧立堵、雙向進占的截流方式。

2.2.2截流戧堤布置

（1）戧堤平臺頂高程、斷面

　　由于按11月中旬Q=1000 m3/s流量截流時，截流終落差試驗成果表明，圍堰合攏閉氣后，圍堰上游水位為681.26m，考慮波浪爬高及安全超高，戧堤頂高程定為684m（模型試驗高程683m）。戧堤頂面長度103m，戧堤斷面為梯形，上下游坡由進占拋投料自然形成。為滿足施工強度要求，同時考慮戧堤防滲，戧堤頂寬定為30m，其中上游側(cè)5m采用有利于防滲的土料或小粒徑跟進。

（2）戧堤位置

　　在模型試驗中，經(jīng)多軸線方案對比，發(fā)現(xiàn)截流戧堤距導流洞進口約70m時，進入上圍堰防滲墻施工部位的拋投料流失料很少，大石和中石更少；同時導流洞進口水流流態(tài)也沒有明顯變化；另外，戧堤軸線再往上移的余地較小。因此，截流戧堤軸線最終定在距導流洞進口約70m處。軸線控制點坐標見表1。

表1、戧堤軸線控制點坐標表

軸線控制點

X

Y

左岸

34581155.00

3233267.50

右岸

34581053.80

3233250.50

（3）龍口位置及龍口寬度選擇

　　截流戧堤軸線全長約103m，現(xiàn)有河床水面線寬度70m左右。地質(zhì)資料表明，戧堤位置無適合最終合攏的淺薄覆蓋層地段。綜合考慮截流戧堤備料基本在左岸和右岸截流戧堤地勢開闊等因素，選定的龍口位置位于河床偏左岸，以利兩岸同時進占，均衡拋投。

　　截流龍口寬度指截流戧堤預留的最小寬度，亦即合攏的起始口門寬。龍口寬度的選擇沒有進行不同寬度的對比分析，但綜合考慮了如下因素：

（1）進占流量1490m3/s時，經(jīng)龍口束窄壅高后的水位不高于戧堤平臺頂高程684m；控制左、右岸非龍口段堤頭流速，保證中、小石基本不被沖刷流失。避免因采取裹頭保護措施而增加工程費用。

　　當非龍口段進占形成B=70m龍口，左堤頭中石裹頭、右堤頭小石裹頭，遭遇裹頭防沖保護流量1490m3/s時，戧堤落差0.18m；左堤頭最大流速2.83m/s，右堤頭最大流速1.41m/s，龍中最大流速4.71m/s；左右堤頭材料穩(wěn)定性較好，基本不流失。

（2）龍口工程量能在二天左右完成。

（3）合攏前兩岸的進占長度滿足有關截流施工的準備工作要求。

2.3分流建筑物及其泄流能力

　　工程截流期間，主要通過左岸兩條導流隧洞導流。導流洞進口高程673.0m，出口高程668.0m，洞身為馬蹄形斷面，寬13m、高16.5m，斷面面積 201m2。1#導流洞洞長926.43m，底坡5.4‰，2#導流洞洞長1003.44m，底坡為5.0‰。

　　導流洞進出口圍堰殘埂對截流的影響較大，進口圍堰殘埂必須挖除到1m以下。截流設計按照上游圍堰殘埂拆除到1.0m以下。相應泄流水位流量關系曲線見表2和圖1。

表2、導流洞泄流流量與截流戧堤上游水位關系表

Q(m3/s)

500

750

1000

1500

2000

3000

4000

4800

水位(m)

678.61

679.50

680.81

683.49

685.97

690.31

693.91

698.14

 

2.4.戧堤進占方案

2.4.1進占程序

　　截流進占采取雙向進占。非龍口段左岸進占12m，右岸進占21m，形成B=70m龍口。龍口段進占左、右岸堤頭進占長度按1：2控制。見PBGJL-001截流設計圖。

　　龍口段進占拋投強度按1.5萬m3/d控制，其中左堤頭0.5萬m3/d，右堤頭1.0萬m3/d。

2.4.2截流戧堤非龍口段進占及其水力學參數(shù)

　　11月上旬，導流洞具備分流條件后，進行非龍口段進占，左岸進占12m，右岸進占21m，形成B=70m寬龍口。此時龍口流量950～927 m3/s，龍口平均流速3.08m/s，龍口最大流速4.54m/s，落差0.16m。

　　堤頭按照Q=1490m3/s進行裹頭防沖保護。左岸小石進占10m，然后用中石進行裹頭護腳2m左右，左岸總進占長度12m。

　　右岸小石進占21m，小石裹頭。

2.4.3截流戧堤龍口段進占及其水力學指標

　　龍口段進占流量Q=1000m3/s，左、右岸堤頭進占長度按1：2控制。進占拋投強度按1.5萬m3/d強度控制，其中左堤頭0.5萬m3/d，右堤頭1.0萬m3/d。水力學主要參數(shù)見表3。

表3、截流水力學參數(shù)表

龍口寬(m)

戧堤上游水位（m）

戧堤落差

（m）

左堤頭最大流速（m/s）

右堤頭最大流速（m/s）

龍口最大流量(m3/s)

龍口最大流速（m/s）

70

678.74

0.16

2.70

2.35

950

4.54

50

678.47

2.07

4.27

4.40

927

4.94

35

679.19

4.03

6.71

6.71

677

6.98

20

680.40

5.69

7.78

7.78

450

8.61

0

681.07

-

-

-

-

-

1、B=70m～50m進占

　　本進占段左堤頭共進占6.7m，右堤頭共進占13.3m。左堤頭小石全斷面進占5m后，上挑角采用小石進占中石突前進占，其它部位小石進占。右堤頭小石全斷面進占。

2、B=50m～35m進占

　　本進占段左堤頭共進占5m，右堤頭共進占10m。

　　此區(qū)段開始B=50m時，左堤頭采用中石進占4.3m后，上挑角用大石配合中石進占，軸線以下仍用小石滯后2m進占。

　　左堤頭大石進占2m（此時B=44m）時，換用特大塊石于上挑角突前進占。

　　左堤頭進占3m（此時B=41m）時，流失料堆積體與左堤頭下坡腳相接，此時戧堤軸線以下部位適當使用中石配合小石進占。

　　右堤頭上挑角中石突前進占4m（此時B=44m）時，換用大塊石于上挑角突前進占，軸線以下仍用小石滯后2 m進占。

　　右堤頭進占6m（此時B=41m）后，戧堤軸線以下部位進占適當使用中石配合小石進占。

　　形成B=35m龍口時，戧堤最大落差4.03m。左堤頭最大流速7.05m/s，右堤頭最大流速為7.05m/s。

3、B=35m～20m進占

　　本進占段左堤頭共進占5m，右堤頭共進占10m。

　　左右堤頭均采用少量特大塊石配合大石突前進占，拋投料一部分于堤頭坡面累積，一部分隨水流滾動，于戧堤下坡腳處的堆積料表面及上游停留。上挑角進占比較緩慢，但龍口堆積體在不斷向上游延伸，龍口底部也在不斷抬升。此時應加大進占拋投強度，以減小拋投料的流失量。戧堤軸線以下進占拋投材料應以中石和大石為主，少量小石、特大塊石配合進占。

　　B=28m時，戧堤軸線處龍口已形成三角形斷面。在戧堤軸線處加大特大塊石的拋投量，以便保證更多的拋投材料穩(wěn)定在龍口戧堤范圍內(nèi)，減少流失量。

　　形成B=20m龍口時，戧堤落差5.69m。左堤頭最大流速7.78m/s，右堤頭最大流速為7.78m/s。龍口最大流速8.61m/s。

4、B=20m～0m進占合攏

　　左、右堤頭進占端面拋投材料均以大石為主，部分中、小石配合進占。進占至B=10m時，龍口拋投材料露出水面，采用小石進占直至合攏。

　　龍口段進占合攏過程中，戧堤上游面約5m寬采用小石、石渣料始終滯后進占戧堤3～5m跟進，以增強戧堤防滲能力，避免因滲流量過大造成戧堤下游側(cè)坍塌。

　　戧堤合攏后，戧堤上游為大片順時針方向的回流區(qū)，上游坡腳處最大回流流速0.82m/s，坡腳外8 m處最大回流流速0.71m/s。

2.5拋投材料粒徑及數(shù)量的選定

2.5.1拋投材料用量

　　在不考慮拋投材料流失系數(shù)的情況下，拋投材料總用量約30500m3（不含高程683m～684m填筑量4500m3），其中小石(0.2 m～0.4m)約占57.5%，17550m3；中石(0.4 m～0.7 m)約占20.3%，6200m3；大石（0.7m～1.0m）約占11%，3350m3；特大石（1.0～1.3m）約占11.2%，3400m3。拋投材料分區(qū)見PBGJL-001，用量見表4。

表4、戧堤進占拋投料使用情況表

進占區(qū)段（m）

戧堤

進占長度（m）

小石（m3）

中石（m3）

大石（m3）

特大塊石（m3）

各區(qū)段總量（m3）

103～70

左戧堤

12.0

1550

0

0

0

4100

右戧堤

21.0

2550

0

0

0

70～50

左戧堤

6.7

1600

500

0

0

5200

右戧堤

13.3

2850

250

0

0

50～35

左戧堤

5.0

1150

900

400

300

7250

右戧堤

10.0

2400

1300

500

300

35～20

左戧堤

5.0

1150

900

500

600

8750

右戧堤

10.0

1800

1200

1200

1400

20～0

左戧堤

6.7

800

450

350

100

5200

右戧堤

13.3

1700

700

400

700

小計

-

103

17550

6200

3350

3400

 

合計

-

30500

30500

各級拋投料占總量的百分比（%）

57.5

20.3

11

11.2

-

2.5.2拋投材料備存量

　　拋投料粒徑的選擇是根據(jù)模型試驗計算結(jié)果，參考水工模型試驗成果，并結(jié)合其它工程實踐經(jīng)驗得出?？紤]材料中間運輸流失、截流沖刷流失等因素的影響，確保截流萬無一失，截流備料總量以理論拋投量的1.8倍計，則總的材料備用量按照表4的1.8倍考慮，分別為小石31690m3；中石11160m3；大石6030m3；特大石6120m3，合計55000m3。

2.5.3混凝土四面體、鋼筋籠的拋投

　　在截流進占過程中，由于龍口落差大、流速大，拋投材料產(chǎn)生一定的流失。為減少流失量，預制30塊20噸砼四面體、20個鉛絲籠，在龍口段進占過程中進行拋投，起到攔石坎的作用，減少后續(xù)拋投材料的流失量。隨著龍口縮小，根據(jù)現(xiàn)場水力條件的變化情況，繼續(xù)拋投砼四面體或者塊石串等，直至拋投的大中塊石基本穩(wěn)定為止。混凝土四面體結(jié)構(gòu)見附圖二。

3 防滲平臺的跟進施工

　　為了為防滲墻施工贏得工期，在截流進占過程中圍堰防滲墻施工平臺跟進施工。在截流戧堤龍口段進占前，上游圍堰砼防滲墻施工平臺頭部應順應河勢使水流平順，右岸砼防滲墻施工平臺最大跟進長度應以平臺迎水側(cè)80m，平臺背水側(cè)44 m為宜。

4 截流戧堤防洪預案

　　模型試驗中，河床水力學參數(shù)是按照設計提供的參數(shù)確定的，是河床沒有束窄或抬高的天然河床。瀑布溝工程前期施工已經(jīng)使河床水力學條件發(fā)生變化，因此，有必要編制防洪預案。預案采用百年一遇流量約Q=2000m3/s、導流洞進口水位685.97m、波浪爬高按照1.5m設計。

　　主要措施：上游側(cè)增加5m大石和特大石護坡、戧堤頂加高到高程687.5m，具體見下圖。

　　預案增加大石9200m3、石碴11420m3，合計20620m3。

5、結(jié)語

　　瀑布溝水電站工程截流從指標來看屬大落差、高流速截流，而且截流段河床地形地質(zhì)條件復雜,截流難度相當大，要確保順利截流關鍵是科學指導的前提下高度重視截流，做好一切準備工作，確保萬無一失。