向家坝二期截流设计及施工

史殿华,田宜龙,袁 金

(葛洲坝集团 市场开发部,湖北 宜昌 443002)

1 概 述

向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末一个梯级,位于四川省与云南省交界处的金沙江下游河段,工程开发任务以发电为主,同时改善航运条件,兼顾防洪、灌溉,并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等综合作用。本工程为一等大(1)型工程,工程枢纽建筑物主要由混凝土重力挡水坝、左岸坝后厂房、右岸地下引水发电系统及左岸河中垂直升船机等组成。本工程采用分期导流方式,一期先围左岸,由右侧束窄后的主河床泄流,二期围右岸,由左岸非溢流坝段和冲沙孔坝段内留设的6个导流底孔及高程280 m、宽115 m的缺口联合泄流,其中二期截流期间利用6个导流底孔泄流。

向家坝二期截流(大江截流)与溪洛渡相比,龙口水力学指标虽然相对较低,但考虑到河床状况、分流条件及进占道路等综合因素,向家坝截流综合难度不亚于溪洛渡。

2 截流特点及难点

1)河床覆盖层深厚,抗冲刷能力差。根据现场勘探情况,原始河床覆盖层深厚,最深达61 m,自上而下依次为砂卵砾石层、砂层、含崩(块)石的砂卵砾石层。在戗堤进占过程中覆盖层容易冲刷,造成戗堤抛投量增加、截流水深加大及堤头塌滑等不利影响。

2)龙口抛投强度高。导流底孔分流后左侧成为孤岛,截流备料场布置较为困难,设备投入也受到限制。为确保合龙抛投强度,拟采取左右岸双向进占,以右岸进占为主,左岸进占为辅。

3 截流计算

3.1 导流底孔分流能力计算

导流底孔共6孔,左4孔孔身段长133.0 m,右2孔孔身段长200.95 m,底孔采用城门洞型,孔身尺寸10 m×14 m(宽×高),顶拱中心角120°,过水断面面积130.6 m2,底孔前引水渠、底孔孔身及底孔后泄水渠底部高程均为260.0 m。计算导流底孔泄流能力时,由于设计流量已知,下游水位不变,可分别假定底孔分流量,然后根据已知流量求相应上游水位的方法计算。

根据底孔水流的流态,分别按无压流、半有压流和有压流进行泄流能力计算。水流流态主要取决于导流底孔上下游水位,其孔内水流流态可由上游临界壅高比进行判别。截流时下游水位较低,为自由出流,底孔水流可按无压流考虑。对于平底坡,长短洞的界限长度为lk=(5～12)H,式中 H为上游水深,截流时底孔按长洞考虑。自由出流条件下缓坡长管的泄流量按淹没宽顶堰公式计算。

3.2 非龙口段水力学计算

非龙口段水力学计算的目的是根据水力学指标确定龙口宽度及非龙口进占过程中抛投料的规格和数量。左岸非龙口段安排在11月中下旬预进占,堤顶高程的设计流量为11月中旬10%旬平均流量Q=4290 m3/s,此时不考虑底孔分流;右岸非龙口段从12月上旬开始进占,采用12月上旬10%旬平均流量3000 m3/s,此时底孔参与分流。

按束窄河床水力计算公式计算不同束窄口门的水力学指标,计算公式如下:非淹没流:

淹没流:

式中φ为流速系数,取0.82;m为流量系数,取0.32;bcp为口门平均水面宽度;H0为计及行进流速水头的上游水深;hn为龙口下游水深。

预留龙口的合理宽度以进占材料不流失及覆盖层不被冲刷为原则,另外需尽量减少龙口抛投工程量,降低施工强度,缩短合龙历时。根据计算,戗堤进占至口门宽80 m时,断面平均流速约2.58 m/s。河床底部流速较断面平均流速小,且低于河床覆盖层抗冲流速,堤头边坡稳定性较好,因此预留龙口宽度按80 m考虑。

3.3 龙口水力学计算

龙口段水力计算的目的是计算龙口合拢过程中不同束窄口门宽度时的水力学指标,如口门泄流量、束窄口门流速、落差、上游水位、单宽流量、单宽能量等,据此计算不同施工区段抛投材料的粒径及数量,确定戗堤进占方案。

龙口段进占安排在12月中旬进行,设计流量采用12月中旬10年一遇旬平均流量Q=2600 m3/s。龙口段进占视截流戗堤束窄口门为梯形或三角形断面的宽顶堰,其泄水能力按下列公式计算:

非淹没流:

淹没流:

式中σn为淹没系数,其值与淹没界限有关:当龙口呈梯形过水断面时,hn/H≥0.7时为淹没流,σn查巴甫洛夫淹没系数表;当龙口呈三角形过水断面时,hn/H≥0.8时为淹没流,σn查别列津斯基淹没系数表;m为流量系数,考虑口门束窄的影响,取0.31。

龙口段不同宽度束窄口门水力学指标计算如下:

龙口平均单宽流量:

式中hp为龙口水深;Hu为龙口上游水位;Hd为龙口下游水位;其余符号意义同前。

立堵截流抛投体重量的计算,近似按平堵试验提出的伊兹巴什公式计算:

抛头体粒径:

式中D为截流块石折算成圆球体的直径(m);Vmax为作用于块石的流速(m/s),计算取缩窄口门轴线断面平均流速;γm为抛头体容重,块石取 26 kN/m3;γw为水的容重,取 10 kN/m3;K 为综合稳定系数,与块体形状、重量及抛投时的边界条件等因素有关系,一般动水抛投可取0.9,裹头防冲可取1.02。

龙口水力学计算过程中,下游水位取设计流量对应的水位,经过反复试算龙口上游水位使口门泄流量和导流底孔分流量之和等于截流流量为止。据此计算戗堤龙口段进占水力学指标见表1。

表1 戗堤龙口段进占程序及水力指标特性表Table1 Procedure and hydraulic parameters for advancement at the closure gap section of the dike

4 截流设计

4.1 龙口位置

根据实测水下地形资料,河床底部较平坦。河床覆盖层主要为砂卵石夹砂和砂层,局部夹有崩石、块石。

上游围堰混凝土防渗墙左侧较深,且根据一期土石围堰及类似工程施工情况,该地层防渗墙施工难度较大,是制约围堰施工的关键项目。为确保防渗墙及围堰工期,左侧宜多进占,以便尽快进行防渗墙深槽部位施工。

由于戗堤合龙主要从右岸进占,右侧多进占可形成较大的截流施工场地,方便堤头车辆布置,且右侧河床底部高程略低,右侧多进占对降低截流施工难度也较为有利。

龙口位置拟设置于河床中间部位。2008年11月中旬提前开始左岸预进占,12月上旬左岸6个导流底孔具备分流条件后,再进行右岸预进占。预进占主要采用石渣料抛投,右侧采用坝肩及地下厂房开挖料,左侧充分利用一期纵向土石围堰拆除料。

经综合分析比较,左岸进占53 m,可基本覆盖防渗墙深槽部位和含崩(块)石的砂卵砾石层,右岸进占60 m,形成约80 m宽的龙口。

4.2 龙口护底

戗堤处河床覆盖层较深,抗冲流速较小。根据国内外大江大河截流工程经验,预先对河床进行平抛护底可防止覆盖层冲刷,同时加糙河床,改善截流抛投材料的稳定条件,减少流失,是确保立堵截流成功的一项重要技术措施。

根据工程经验,护底长度在龙口下游约为最大水深的3～4倍,上游护底长度约为水深的2倍,根据水力学计算,龙口最大水深约为16 m,结合戗堤结构设计,护底范围取下游为50～70 m,上游取30～40 m。护底材料按龙口分区分别进行计算,与各分区材料一致,主要采用粒径0.4～0.7 m的中石。

护底抛石层最小厚度要避免出现空缺,护底厚度按1.0～1.5 m考虑。

4.3 截流戗堤设计

为减小二期横向围堰工程量,截流戗堤与上游土石围堰填筑体相结合,戗堤设置以不影响围堰混凝土防渗墙施工为原则,布置于围堰的背水侧,戗堤轴线与围堰轴线平行,两者相距约40 m。

戗堤顶高程要保证整个戗堤进占过程中不受洪水的漫溢,堤顶高程按不同进占时段的设计水位加超高确定。左岸非龙口段安排在11月中下旬预进占,堤顶高程的设计流量采用11月中旬10%旬平均流量Q=4290 m3/s,此时不考虑底孔分流,据此计算左岸戗堤进占53 m后上游水位约271.5 m,龙口断面平均流速约3.0 m/s;右岸非龙口段安排在12月上旬预进占,堤顶高程的设计流量为12月上旬10%旬平均流量Q=3000 m3/s,此时底孔参与分流,据此计算右戗堤进占60 m后上游水位约为269.5 m,龙口断面平均流速约2.58 m/s。

合龙时戗堤上游水位约为270.4 m,综合考虑底孔泄流能力影响及安全超高,取截流戗堤顶高程为273 m。戗堤轴线长约193 m,设计顶宽25 m。

4.4 龙口分区

为便于施工时控制抛投材料,根据进占过程中龙口水力学指标的变化(表1),将龙口分成3个施工区段。截流戗堤进占分区特性见表2。

表2 截流戗堤进占分区特性表Table2 Characteristics of dike advancement of different zones

5 截流施工方案

5.1 截流材料选择及抛投物数量确定

抛投材料种类根据水力学计算指标确定,抛投材料数量的确定,非龙口段抛投考虑1.1的流失系数,龙口段抛投考虑1.2的流失系数,同时考虑1.0 m厚的平抛护底。截流戗堤所需抛投物料数量见表3。

表3 截流戗堤所需抛投物料数量表Table3 Dumped materials for closure dike

二期截流主要考虑两处备料场,分别为右岸下游尾水渠备料场及左岸备料场,其中尾水渠备料场为主备料场,为满足大江截流需要,截流备料至2008年10月底前全部完成。

5.2 抛投施工

5.2.1 戗堤堤头车辆行驶线路布置

为满足抛投强度要求,在单戗堤堤头布置4个卸料点,根据不同部位填料的要求,采用不同的编队方式。靠上游侧主要抛特大石(钢筋石笼)、大石,中间及靠下游侧抛填中小石、石渣。堤头线路布置共分为3个区:抛投区、编队区和回车区,确保截流施工紧张有序。堤头布置见图1。

不同材料车队分别配以不同颜色、数码标志,堤头指挥人员以相应颜色的旗帜分区段按要求指挥编队和卸料。为确保堤头车辆安全,汽车轮缘距戗堤边缘≥2.5 m,并安排专人布置标识。

5.2.2 堤头抛投方式

主要采用全断面推进和凸出上挑角两种进占方式。

图1 截流戗堤堤头进占示意图Fig.1 Schematic view of dike-head advancement

Ⅰ区主要采用中石及石渣全断面进占,靠近束窄口门堤头处采用大块石抛投在迎水侧抗冲;Ⅱ区为合拢最困难的区段,采用凸出上游挑角的进占方法,将水流自堤头前上游角挑出一部分,从而使堤头下侧形成回流缓流区,再抛投中小石及石渣料进占;Ⅲ区水深逐渐变浅,有利于戗堤的稳定,为减少冲刷流失,继续采用凸出上挑角施工,用大块石从戗堤轴线上游侧进占,再将中小石及石渣抛填在戗堤轴线下游侧。

龙口段大石不能满足抛投稳定要求时,采用钢筋石笼代替,利用16 t吊车直接吊至自卸汽车上,运输至堤头卸料,再用大型推土机推至堤头前沿。

为防止深水抛投时堤头边坡失稳,根据我公司在三峡大江截流的成功经验,拟采取防护性进占(包括堤头挑流和堰体尾随抛投、高强度进占抛投、变换堤头抛填方法抛投等)、诱导坍塌如卸料冲砸等综合措施。

5.3 施工强度分析

截流戗堤非龙口段长113 m,总填筑量71588 m3,平均日抛填强度4773 m3/d。龙口宽度80 m,总抛投量56000 m3,按30 h合龙设计,平均抛投强度1867 m3/h,最大抛投强度2053 m3/h(施工强度不均匀系数按1.1计)。

截流戗堤顶宽25 m,可同时安排3～4个卸车点,根据我公司在三峡及瀑布沟等工程截流的施工经验,单车卸料循环时间平均按2 min,堤头集料时,汽车卸料和推土机赶料的循环时间按4 h,龙口段抛投按堤头集料、推土机赶料占1/3时间,汽车直接抛填占2/3时间。则一个卸车点实际能达到的卸车密度为27辆/h,则戗堤单堤头卸车密度可达到80～110辆/h,20 t汽车按10 m3,32 t汽车按15 m3,45 t汽车按20 m3考虑,则戗堤单堤头抛投强度可达到1200～1500 m3,戗堤双向进占时,抛投强度达到2000～2500m3。从抛填强度来讲能够满足河床截流要求。

6 实施情况

向家坝水电站二期截流戗堤预进占于2008年12月1日正式开始,至12月20日形成约80 m宽龙口。由于河床经多年汛期冲刷而板结粗化,河床覆盖层未进行护底。龙口进占于12月21日上午9时正式开始,至22日上午9时,共持续24 h,形成10 m宽合龙龙口,度过截流最困难区段。进占期间最大流量2350 m3/s,最大流速6.1 m/s,最大水位落差2.34 m,最大单宽功率74.48 t◦m/s◦m。2008年12月28日上午10时58分合龙进占正式开始,经过28 min的奋战,至11时26分胜利完成截流。

7 结 语

向家坝二期截流由于河床覆盖层深厚、左岸进占条件差,综合难度较大。本文通过截流水力学计算合理确定戗堤进占分区及抛投材料种类和数量,借鉴我公司在葛洲坝、三峡等工程截流施工经验,采取合理的堤头进占方式,保证了戗堤进占的顺利进行,取得了向家坝水电站二期截流决定性的胜利,可作为类似工程截流设计及施工的有益参考。

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