史殿華,田宜龍,袁 金

(葛洲壩集團 市場開發(fā)部,湖北 宜昌 443002)

1 概 述

向家壩水電站是金沙江下游河段規(guī)劃的最末一個梯級,位于四川省與云南省交界處的金沙江下游河段,工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,同時改善航運條件,兼顧防洪、灌溉,并具有攔沙和對溪洛渡水電站進行反調(diào)節(jié)等綜合作用。本工程為一等大(1)型工程,工程樞紐建筑物主要由混凝土重力擋水壩、左岸壩后廠房、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)及左岸河中垂直升船機等組成。本工程采用分期導(dǎo)流方式,一期先圍左岸,由右側(cè)束窄后的主河床泄流,二期圍右岸,由左岸非溢流壩段和沖沙孔壩段內(nèi)留設(shè)的6個導(dǎo)流底孔及高程280 m、寬115 m的缺口聯(lián)合泄流,其中二期截流期間利用6個導(dǎo)流底孔泄流。

向家壩二期截流(大江截流)與溪洛渡相比,龍口水力學(xué)指標(biāo)雖然相對較低,但考慮到河床狀況、分流條件及進占道路等綜合因素,向家壩截流綜合難度不亞于溪洛渡。

2 截流特點及難點

1)河床覆蓋層深厚,抗沖刷能力差。根據(jù)現(xiàn)場勘探情況,原始河床覆蓋層深厚,最深達(dá)61 m,自上而下依次為砂卵礫石層、砂層、含崩(塊)石的砂卵礫石層。在戧堤進占過程中覆蓋層容易沖刷,造成戧堤拋投量增加、截流水深加大及堤頭塌滑等不利影響。

2)龍口拋投強度高。導(dǎo)流底孔分流后左側(cè)成為孤島,截流備料場布置較為困難,設(shè)備投入也受到限制。為確保合龍拋投強度,擬采取左右岸雙向進占,以右岸進占為主,左岸進占為輔。

3 截流計算

3.1 導(dǎo)流底孔分流能力計算

導(dǎo)流底孔共6孔,左4孔孔身段長133.0 m,右2孔孔身段長200.95 m,底孔采用城門洞型,孔身尺寸10 m×14 m(寬×高),頂拱中心角120°,過水?dāng)嗝婷娣e130.6 m2,底孔前引水渠、底孔孔身及底孔后泄水渠底部高程均為260.0 m。計算導(dǎo)流底孔泄流能力時,由于設(shè)計流量已知,下游水位不變,可分別假定底孔分流量,然后根據(jù)已知流量求相應(yīng)上游水位的方法計算。

根據(jù)底孔水流的流態(tài),分別按無壓流、半有壓流和有壓流進行泄流能力計算。水流流態(tài)主要取決于導(dǎo)流底孔上下游水位,其孔內(nèi)水流流態(tài)可由上游臨界壅高比進行判別。截流時下游水位較低,為自由出流,底孔水流可按無壓流考慮。對于平底坡,長短洞的界限長度為lk=(5～12)H,式中 H為上游水深,截流時底孔按長洞考慮。自由出流條件下緩坡長管的泄流量按淹沒寬頂堰公式計算。

3.2 非龍口段水力學(xué)計算

非龍口段水力學(xué)計算的目的是根據(jù)水力學(xué)指標(biāo)確定龍口寬度及非龍口進占過程中拋投料的規(guī)格和數(shù)量。左岸非龍口段安排在11月中下旬預(yù)進占,堤頂高程的設(shè)計流量為11月中旬10%旬平均流量Q=4290 m3/s,此時不考慮底孔分流;右岸非龍口段從12月上旬開始進占,采用12月上旬10%旬平均流量3000 m3/s,此時底孔參與分流。

按束窄河床水力計算公式計算不同束窄口門的水力學(xué)指標(biāo),計算公式如下:非淹沒流:

淹沒流:

式中φ為流速系數(shù),取0.82;m為流量系數(shù),取0.32;bcp為口門平均水面寬度;H0為計及行進流速水頭的上游水深;hn為龍口下游水深。

預(yù)留龍口的合理寬度以進占材料不流失及覆蓋層不被沖刷為原則,另外需盡量減少龍口拋投工程量,降低施工強度,縮短合龍歷時。根據(jù)計算,戧堤進占至口門寬80 m時,斷面平均流速約2.58 m/s。河床底部流速較斷面平均流速小,且低于河床覆蓋層抗沖流速,堤頭邊坡穩(wěn)定性較好,因此預(yù)留龍口寬度按80 m考慮。

3.3 龍口水力學(xué)計算

龍口段水力計算的目的是計算龍口合攏過程中不同束窄口門寬度時的水力學(xué)指標(biāo),如口門泄流量、束窄口門流速、落差、上游水位、單寬流量、單寬能量等,據(jù)此計算不同施工區(qū)段拋投材料的粒徑及數(shù)量,確定戧堤進占方案。

龍口段進占安排在12月中旬進行,設(shè)計流量采用12月中旬10年一遇旬平均流量Q=2600 m3/s。龍口段進占視截流戧堤束窄口門為梯形或三角形斷面的寬頂堰,其泄水能力按下列公式計算:

非淹沒流:

淹沒流:

式中σn為淹沒系數(shù),其值與淹沒界限有關(guān):當(dāng)龍口呈梯形過水?dāng)嗝鏁r,hn/H≥0.7時為淹沒流,σn查巴甫洛夫淹沒系數(shù)表;當(dāng)龍口呈三角形過水?dāng)嗝鏁r,hn/H≥0.8時為淹沒流,σn查別列津斯基淹沒系數(shù)表;m為流量系數(shù),考慮口門束窄的影響,取0.31。

龍口段不同寬度束窄口門水力學(xué)指標(biāo)計算如下:

龍口平均單寬流量:

式中hp為龍口水深;Hu為龍口上游水位;Hd為龍口下游水位;其余符號意義同前。

立堵截流拋投體重量的計算,近似按平堵試驗提出的伊茲巴什公式計算:

拋頭體粒徑:

式中D為截流塊石折算成圓球體的直徑(m);Vmax為作用于塊石的流速(m/s),計算取縮窄口門軸線斷面平均流速;γm為拋頭體容重,塊石取 26 kN/m3;γw為水的容重,取 10 kN/m3;K 為綜合穩(wěn)定系數(shù),與塊體形狀、重量及拋投時的邊界條件等因素有關(guān)系,一般動水拋投可取0.9,裹頭防沖可取1.02。

龍口水力學(xué)計算過程中,下游水位取設(shè)計流量對應(yīng)的水位,經(jīng)過反復(fù)試算龍口上游水位使口門泄流量和導(dǎo)流底孔分流量之和等于截流流量為止。據(jù)此計算戧堤龍口段進占水力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 戧堤龍口段進占程序及水力指標(biāo)特性表Table1 Procedure and hydraulic parameters for advancement at the closure gap section of the dike

4 截流設(shè)計

4.1 龍口位置

根據(jù)實測水下地形資料,河床底部較平坦。河床覆蓋層主要為砂卵石夾砂和砂層,局部夾有崩石、塊石。

上游圍堰混凝土防滲墻左側(cè)較深,且根據(jù)一期土石圍堰及類似工程施工情況,該地層防滲墻施工難度較大,是制約圍堰施工的關(guān)鍵項目。為確保防滲墻及圍堰工期,左側(cè)宜多進占,以便盡快進行防滲墻深槽部位施工。

由于戧堤合龍主要從右岸進占,右側(cè)多進占可形成較大的截流施工場地,方便堤頭車輛布置,且右側(cè)河床底部高程略低,右側(cè)多進占對降低截流施工難度也較為有利。

龍口位置擬設(shè)置于河床中間部位。2008年11月中旬提前開始左岸預(yù)進占,12月上旬左岸6個導(dǎo)流底孔具備分流條件后,再進行右岸預(yù)進占。預(yù)進占主要采用石渣料拋投,右側(cè)采用壩肩及地下廠房開挖料,左側(cè)充分利用一期縱向土石圍堰拆除料。

經(jīng)綜合分析比較,左岸進占53 m,可基本覆蓋防滲墻深槽部位和含崩(塊)石的砂卵礫石層,右岸進占60 m,形成約80 m寬的龍口。

4.2 龍口護底

戧堤處河床覆蓋層較深,抗沖流速較小。根據(jù)國內(nèi)外大江大河截流工程經(jīng)驗,預(yù)先對河床進行平拋護底可防止覆蓋層沖刷,同時加糙河床,改善截流拋投材料的穩(wěn)定條件,減少流失,是確保立堵截流成功的一項重要技術(shù)措施。

根據(jù)工程經(jīng)驗,護底長度在龍口下游約為最大水深的3～4倍,上游護底長度約為水深的2倍,根據(jù)水力學(xué)計算,龍口最大水深約為16 m,結(jié)合戧堤結(jié)構(gòu)設(shè)計,護底范圍取下游為50～70 m,上游取30～40 m。護底材料按龍口分區(qū)分別進行計算,與各分區(qū)材料一致,主要采用粒徑0.4～0.7 m的中石。

護底拋石層最小厚度要避免出現(xiàn)空缺,護底厚度按1.0～1.5 m考慮。

4.3 截流戧堤設(shè)計

為減小二期橫向圍堰工程量,截流戧堤與上游土石圍堰填筑體相結(jié)合,戧堤設(shè)置以不影響圍堰混凝土防滲墻施工為原則,布置于圍堰的背水側(cè),戧堤軸線與圍堰軸線平行,兩者相距約40 m。

戧堤頂高程要保證整個戧堤進占過程中不受洪水的漫溢,堤頂高程按不同進占時段的設(shè)計水位加超高確定。左岸非龍口段安排在11月中下旬預(yù)進占,堤頂高程的設(shè)計流量采用11月中旬10%旬平均流量Q=4290 m3/s,此時不考慮底孔分流,據(jù)此計算左岸戧堤進占53 m后上游水位約271.5 m,龍口斷面平均流速約3.0 m/s;右岸非龍口段安排在12月上旬預(yù)進占,堤頂高程的設(shè)計流量為12月上旬10%旬平均流量Q=3000 m3/s,此時底孔參與分流,據(jù)此計算右戧堤進占60 m后上游水位約為269.5 m,龍口斷面平均流速約2.58 m/s。

合龍時戧堤上游水位約為270.4 m,綜合考慮底孔泄流能力影響及安全超高,取截流戧堤頂高程為273 m。戧堤軸線長約193 m,設(shè)計頂寬25 m。

4.4 龍口分區(qū)

為便于施工時控制拋投材料,根據(jù)進占過程中龍口水力學(xué)指標(biāo)的變化(表1),將龍口分成3個施工區(qū)段。截流戧堤進占分區(qū)特性見表2。

表2 截流戧堤進占分區(qū)特性表Table2 Characteristics of dike advancement of different zones

5 截流施工方案

5.1 截流材料選擇及拋投物數(shù)量確定

拋投材料種類根據(jù)水力學(xué)計算指標(biāo)確定,拋投材料數(shù)量的確定,非龍口段拋投考慮1.1的流失系數(shù),龍口段拋投考慮1.2的流失系數(shù),同時考慮1.0 m厚的平拋護底。截流戧堤所需拋投物料數(shù)量見表3。

表3 截流戧堤所需拋投物料數(shù)量表Table3 Dumped materials for closure dike

二期截流主要考慮兩處備料場,分別為右岸下游尾水渠備料場及左岸備料場,其中尾水渠備料場為主備料場,為滿足大江截流需要,截流備料至2008年10月底前全部完成。

5.2 拋投施工

5.2.1 戧堤堤頭車輛行駛線路布置

為滿足拋投強度要求,在單戧堤堤頭布置4個卸料點,根據(jù)不同部位填料的要求,采用不同的編隊方式?？可嫌蝹?cè)主要拋特大石(鋼筋石籠)、大石,中間及靠下游側(cè)拋填中小石、石渣。堤頭線路布置共分為3個區(qū):拋投區(qū)、編隊區(qū)和回車區(qū),確保截流施工緊張有序。堤頭布置見圖1。

不同材料車隊分別配以不同顏色、數(shù)碼標(biāo)志,堤頭指揮人員以相應(yīng)顏色的旗幟分區(qū)段按要求指揮編隊和卸料。為確保堤頭車輛安全,汽車輪緣距戧堤邊緣≥2.5 m,并安排專人布置標(biāo)識。

5.2.2 堤頭拋投方式

主要采用全斷面推進和凸出上挑角兩種進占方式。

圖1 截流戧堤堤頭進占示意圖Fig.1 Schematic view of dike-head advancement

Ⅰ區(qū)主要采用中石及石渣全斷面進占,靠近束窄口門堤頭處采用大塊石拋投在迎水側(cè)抗沖;Ⅱ區(qū)為合攏最困難的區(qū)段,采用凸出上游挑角的進占方法,將水流自堤頭前上游角挑出一部分,從而使堤頭下側(cè)形成回流緩流區(qū),再拋投中小石及石渣料進占;Ⅲ區(qū)水深逐漸變淺,有利于戧堤的穩(wěn)定,為減少沖刷流失,繼續(xù)采用凸出上挑角施工,用大塊石從戧堤軸線上游側(cè)進占,再將中小石及石渣拋填在戧堤軸線下游側(cè)。

龍口段大石不能滿足拋投穩(wěn)定要求時,采用鋼筋石籠代替,利用16 t吊車直接吊至自卸汽車上,運輸至堤頭卸料,再用大型推土機推至堤頭前沿。

為防止深水拋投時堤頭邊坡失穩(wěn),根據(jù)我公司在三峽大江截流的成功經(jīng)驗,擬采取防護性進占(包括堤頭挑流和堰體尾隨拋投、高強度進占拋投、變換堤頭拋填方法拋投等)、誘導(dǎo)坍塌如卸料沖砸等綜合措施。

5.3 施工強度分析

截流戧堤非龍口段長113 m,總填筑量71588 m3,平均日拋填強度4773 m3/d。龍口寬度80 m,總拋投量56000 m3,按30 h合龍設(shè)計,平均拋投強度1867 m3/h,最大拋投強度2053 m3/h(施工強度不均勻系數(shù)按1.1計)。

截流戧堤頂寬25 m,可同時安排3～4個卸車點,根據(jù)我公司在三峽及瀑布溝等工程截流的施工經(jīng)驗,單車卸料循環(huán)時間平均按2 min,堤頭集料時,汽車卸料和推土機趕料的循環(huán)時間按4 h,龍口段拋投按堤頭集料、推土機趕料占1/3時間,汽車直接拋填占2/3時間。則一個卸車點實際能達(dá)到的卸車密度為27輛/h,則戧堤單堤頭卸車密度可達(dá)到80～110輛/h,20 t汽車按10 m3,32 t汽車按15 m3,45 t汽車按20 m3考慮,則戧堤單堤頭拋投強度可達(dá)到1200～1500 m3,戧堤雙向進占時,拋投強度達(dá)到2000～2500m3。從拋填強度來講能夠滿足河床截流要求。

6 實施情況

向家壩水電站二期截流戧堤預(yù)進占于2008年12月1日正式開始,至12月20日形成約80 m寬龍口。由于河床經(jīng)多年汛期沖刷而板結(jié)粗化,河床覆蓋層未進行護底。龍口進占于12月21日上午9時正式開始,至22日上午9時,共持續(xù)24 h,形成10 m寬合龍龍口,度過截流最困難區(qū)段。進占期間最大流量2350 m3/s,最大流速6.1 m/s,最大水位落差2.34 m,最大單寬功率74.48 t?m/s?m。2008年12月28日上午10時58分合龍進占正式開始,經(jīng)過28 min的奮戰(zhàn),至11時26分勝利完成截流。

7 結(jié) 語

向家壩二期截流由于河床覆蓋層深厚、左岸進占條件差,綜合難度較大。本文通過截流水力學(xué)計算合理確定戧堤進占分區(qū)及拋投材料種類和數(shù)量,借鑒我公司在葛洲壩、三峽等工程截流施工經(jīng)驗,采取合理的堤頭進占方式,保證了戧堤進占的順利進行,取得了向家壩水電站二期截流決定性的勝利,可作為類似工程截流設(shè)計及施工的有益參考。

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