淺議瀑布溝工程截流設(shè)計(jì)

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1 工程概況及截流特點(diǎn)

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(jī)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(duì)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(qiáng)透水性，均屬強(qiáng)透水層。

　　工程采用圍堰擋水、隧洞導(dǎo)流、大壩基坑全年施工的導(dǎo)流方式。初期導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，設(shè)計(jì)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(shí)施河床截流，由兩條導(dǎo)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(dǎo)流洞進(jìn)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(dǎo)流洞洞長926.429m，底坡5.4‰，2#導(dǎo)流洞洞長1003.435m，底坡為5.0‰。

1.2截流特點(diǎn)

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(yàn)戧堤落差達(dá)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(dòng)床模型試驗(yàn)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(jìn)行戧堤龍口護(hù)底施工。

2 截流設(shè)計(jì)

2.1截流時(shí)段和截流流量

　　根據(jù)設(shè)計(jì)文件以及大渡河瀑布溝水電站工程截流模型試驗(yàn)大綱評(píng)審會(huì)會(huì)議紀(jì)要精神，截流試驗(yàn)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(yù)進(jìn)占流量采用11月上旬10年一遇旬平均流量1340m3/s，預(yù)進(jìn)占戧堤裹頭保護(hù)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(shè)計(jì)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(xué)條件比較復(fù)雜。在試驗(yàn)大綱評(píng)審會(huì)中，專家們對(duì)截流戧堤布置進(jìn)行了討論，一致認(rèn)為，截流戧堤從原圍堰中分離出來，垂直于河床，在不影響導(dǎo)流洞進(jìn)口流態(tài)條件下盡量上移至導(dǎo)流洞進(jìn)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(shí)間，同時(shí)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(shí)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(jìn)占的截流方式。

2.2.2截流戧堤布置

（1）戧堤平臺(tái)頂高程、斷面

　　由于按11月中旬Q=1000 m3/s流量截流時(shí)，截流終落差試驗(yàn)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(yàn)高程683m）。戧堤頂面長度103m，戧堤斷面為梯形，上下游坡由進(jìn)占拋投料自然形成。為滿足施工強(qiáng)度要求，同時(shí)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(jìn)。

（2）戧堤位置

　　在模型試驗(yàn)中，經(jīng)多軸線方案對(duì)比，發(fā)現(xiàn)截流戧堤距導(dǎo)流洞進(jìn)口約70m時(shí)，進(jìn)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(shí)導(dǎo)流洞進(jìn)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(dǎo)流洞進(jìn)口約70m處。軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

表1、戧堤軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)表

軸線控制點(diǎn)

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(shí)進(jìn)占，均衡拋投。

　　截流龍口寬度指截流戧堤預(yù)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(jìn)行不同寬度的對(duì)比分析，但綜合考慮了如下因素：

（1）進(jìn)占流量1490m3/s時(shí)，經(jīng)龍口束窄壅高后的水位不高于戧堤平臺(tái)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(hù)措施而增加工程費(fèi)用。

　　當(dāng)非龍口段進(jìn)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(hù)流量1490m3/s時(shí)，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(jìn)占長度滿足有關(guān)截流施工的準(zhǔn)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(dǎo)流隧洞導(dǎo)流。導(dǎo)流洞進(jìn)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(dǎo)流洞洞長926.43m，底坡5.4‰，2#導(dǎo)流洞洞長1003.44m，底坡為5.0‰。

　　導(dǎo)流洞進(jìn)出口圍堰殘埂對(duì)截流的影響較大，進(jìn)口圍堰殘埂必須挖除到1m以下。截流設(shè)計(jì)按照上游圍堰殘埂拆除到1.0m以下。相應(yīng)泄流水位流量關(guān)系曲線見表2和圖1。

表2、導(dǎo)流洞泄流流量與截流戧堤上游水位關(guān)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(jìn)占方案

2.4.1進(jìn)占程序

　　截流進(jìn)占采取雙向進(jìn)占。非龍口段左岸進(jìn)占12m，右岸進(jìn)占21m，形成B=70m龍口。龍口段進(jìn)占左、右岸堤頭進(jìn)占長度按1：2控制。見PBGJL-001截流設(shè)計(jì)圖。

　　龍口段進(jìn)占拋投強(qiáng)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(jìn)占及其水力學(xué)參數(shù)

　　11月上旬，導(dǎo)流洞具備分流條件后，進(jìn)行非龍口段進(jìn)占，左岸進(jìn)占12m，右岸進(jìn)占21m，形成B=70m寬龍口。此時(shí)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(jìn)行裹頭防沖保護(hù)。左岸小石進(jìn)占10m，然后用中石進(jìn)行裹頭護(hù)腳2m左右，左岸總進(jìn)占長度12m。

　　右岸小石進(jìn)占21m，小石裹頭。

2.4.3截流戧堤龍口段進(jìn)占及其水力學(xué)指標(biāo)

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

表3、截流水力學(xué)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(jìn)占

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

2、B=50m～35m進(jìn)占

　　本進(jìn)占段左堤頭共進(jìn)占5m，右堤頭共進(jìn)占10m。

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

　　左堤頭大石進(jìn)占2m（此時(shí)B=44m）時(shí)，換用特大塊石于上挑角突前進(jìn)占。

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

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

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

　　形成B=35m龍口時(shí)，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(jìn)占

　　本進(jìn)占段左堤頭共進(jìn)占5m，右堤頭共進(jìn)占10m。

　　左右堤頭均采用少量特大塊石配合大石突前進(jìn)占，拋投料一部分于堤頭坡面累積，一部分隨水流滾動(dòng)，于戧堤下坡腳處的堆積料表面及上游停留。上挑角進(jìn)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(shí)應(yīng)加大進(jìn)占拋投強(qiáng)度，以減小拋投料的流失量。戧堤軸線以下進(jìn)占拋投材料應(yīng)以中石和大石為主，少量小石、特大塊石配合進(jìn)占。

　　B=28m時(shí)，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(shí)，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(jìn)占合攏

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

　　龍口段進(jìn)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(jìn)占戧堤3～5m跟進(jìn)，以增強(qiáng)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(shí)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(jìn)占拋投料使用情況表

進(jìn)占區(qū)段（m）

戧堤

進(jìn)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(jì)

-

103

17550

6200

3350

3400

 

合計(jì)

-

30500

30500

各級(jí)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(yàn)計(jì)算結(jié)果，參考水工模型試驗(yàn)成果，并結(jié)合其它工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出?？紤]材料中間運(yùn)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(jì)，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(jì)55000m3。

2.5.3混凝土四面體、鋼筋籠的拋投

　　在截流進(jìn)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(yù)制30塊20噸砼四面體、20個(gè)鉛絲籠，在龍口段進(jìn)占過程中進(jìn)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(tái)的跟進(jìn)施工

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

4 截流戧堤防洪預(yù)案

　　模型試驗(yàn)中，河床水力學(xué)參數(shù)是按照設(shè)計(jì)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(xué)條件發(fā)生變化，因此，有必要編制防洪預(yù)案。預(yù)案采用百年一遇流量約Q=2000m3/s、導(dǎo)流洞進(jìn)口水位685.97m、波浪爬高按照1.5m設(shè)計(jì)。

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

　　預(yù)案增加大石9200m3、石碴11420m3，合計(jì)20620m3。

5、結(jié)語

　　瀑布溝水電站工程截流從指標(biāo)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(fù)雜,截流難度相當(dāng)大，要確保順利截流關(guān)鍵是科學(xué)指導(dǎo)的前提下高度重視截流，做好一切準(zhǔn)備工作，確保萬無一失。