大顶子山航电枢纽工程二期截流设计

2015-02-28蔡光哲黄相军张雨豪黄远泽

东北水利水电 2015年5期

蔡光哲，黄相军，张雨豪，黄远泽

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 工程概况及截流特点

1.1 工程概况

大顶子山航电枢纽工程位于松花江干流哈尔滨下游46 km处，是一座以航运、发电和改善哈尔滨市水环境为主，同时具有交通、水产养殖和旅游等综合利用功能的低水头航电枢纽工程。枢纽建筑物自右岸开始依次有船闸、10孔泄洪闸、河床式水电站、28孔泄洪闸、混凝土过渡坝段及土坝等，坝线全长3249.78 m。千吨级船闸，闸室有效尺寸为180 m×28 m×3.5 m，河床式水电站装6台贯流式机组，总装机容量为66 MW；厂房两侧共38孔泄洪闸净宽760 m，土坝坝型为粉细砂冲填坝，最大坝高14.69 m。

施工导流方式采用分两期导流方式，一期导流右岸围船闸、10孔泄洪闸和厂房段，左岸围混凝土过渡坝段及土坝段，期间施工期洪水由北汊束窄河床过流，一期导流设计标准为10年一遇，设计流量9600 m3/s。二期导流主要围北汊28孔泄洪闸，期间施工期洪水由南汊已建成的10孔泄洪闸泄流。二期导流设计标准为10年一遇，设计流量9600 m3/s。

1.2 截流特点

1）该工程位于松花江干流中、下游段，河床宽，流量大，淤积严重，水流条件复杂。坝址处截流时段旬平均流量达2970 m3/s，河床滩地覆盖层平均厚达10 m，截流难度相对较大。

2）二期将要截流的江心洲左侧河床承担着施工期通航任务，二期截流设计中必须妥善处理好截流期间通航问题，应尽可能减小对松花江通航的干扰。

3）该工程多年平均封江日期为11月24日；而大汛期一直延续到10月15日。因此，工程截流、闭气施工工期短，任务相当艰巨。

4）坝址处附近除细砂料储量较丰富，满足工程设计要求外，其它建筑材料如砂砾石，块石等均匮乏，需外购。

2 截流设计

2.1 截流标准确定

根据施工总进度安排，二期截流完成后在汛后期内必须完成上、下游土石围堰的填筑及混凝土防渗墙的施工。要想确保二期基坑按时闭气，任务相当艰巨，应尽量争取提前截流，以争取较长的围堰施工工期。根据工程现场施工面貌和施工计划，一期基坑9月末才能满足基坑过水条件，再考虑到10孔泄洪闸段上、下游围堰的拆除工期，二期截流最早时间为10月中旬。综上所述，二期截流时段选定在10月中旬，洪峰流量为2970 m3/s。

2.2 截流方式的选择

根据截流水力学计算、河道地质条件及河道两岸运输条件，并参考二期截流水工模型试验成果和一期截流工程经验，采用单戗堤立堵截流方式，左、右岸两侧进占，堰体随后跟进的截流方式。

2.3 龙口位置及宽度的确定

2.3.1 龙口位置选择

龙口位置的选择主要考虑以下几个方面因素：

1）从施工期通航方面考虑，一期导流期间施工期临时航道设在左叉河道内，二期截流将截断左叉河道，而此时船闸尚未具备通航条件，因此，为最大限度地减少断航时间，截流龙口中心宜选定在临时航道的中心线附近。

2）从河道的地形、地质条件考虑，因河道两岸滩地地面高程相对较高，滩地部分预进占戗堤结构可采用粉细砂填筑，有利于节省工程投资，且河道深槽段基岩裸露，河床抗冲刷能力较强。因此截流龙口中心宜选在河道深槽内。

3）从截流预进占料源的分布条件分析，预进占部分粉细砂可直接利用两岸一期围堰的拆除料，两岸料源均比较充足，因此为尽量缩短预进占工期，尽早形成龙口，截流龙口中心宜选在河道中心线附近。综上所述，龙口的位置选择在河道深槽内临时航道中心线附近，即设计龙口中心线布置在S0+310处。

2.3.2 龙口宽度确定

龙口宽度的选择主要根据龙口通航条件及预进占时使用的戗堤填筑材料的抗冲能力确定。该工程预进占戗堤填筑材料主要分粉细砂和编织袋土，其中，粉细砂填筑用在可干地施工预进占戗堤段，编织袋土用在需水下抛填的预进占戗堤段，编织袋土每袋重150 kg。预进占戗堤段施工安排在10月上旬，设计流量采用10月上旬5年重现期洪水，其流量为3450 m3/s。根据戗堤预进占水力学计算，当龙口宽度选定120 m时龙口最大流速为1.86 m/s，龙口落差0.15 m，能满足机动木船和小马力船队逆流自航的通航要求，且此时，龙口中心流速略小于预进占时，采用的戗堤填筑料—编织袋土的止动流速2.59～3.20 m/s（参考水工模型试验成果），因此，龙口宽度最终选定为120 m。

2.4 龙口段截流进占分区

根据分流建筑物（右岸10孔泄洪闸）的泄洪能力，计算龙口截流时段的水力特征，见表1。

表1 二期截流水力计算成果表

2.5 截流戗堤设计

根据截流水力学计算，戗堤合龙后上游水位为112.93 m，考虑1.0 m超高，截流戗堤顶高程取为113.93 m。戗堤顶宽10.0 m，堤顶长度789.02 m，结构主要根据戗堤轴线处地形条件和截流水力学计算成果分三部分设计，即第一部分为可在干地施工的预进占部分戗堤，主要采用粉细砂填筑，两侧边坡采用1∶3.0，戗堤上游侧采用块石护坡，下设编织袋土垫层及无纺布反滤层，护坡延伸至堰脚前10 m作为护脚水平铺盖。第二部分戗堤为不能在干地施工的预进占部分戗堤，主要采用编织袋土填筑，两侧边坡为1∶1.5，戗堤上游侧采用碎石土护坡，边坡为1∶1.5。第三部分戗堤为龙口段戗堤，主要采用块石抛填，块石体两侧边坡为1∶1.5。

2.6 龙口段截流进占分区

龙口段截流进占分区，根据龙口截流水力参数的变化情况，共划分为3个区段，各区段长度及所用材料规格、数量详见表2。

表2 龙口段分区施工技术指标表

上表中分区编号为截流戗堤分区合龙顺序，投抛块石当量粒径为化引为球体的当量直径。

3 截流工程施工

3.1 截流准备

3.1.1 截流材料规划

根据水力学计算成果，龙口处最大流速4.84 m/s，采用0.90 m大块径的块石即可满足抗冲要求，不需其它特殊抛投料。因此，该工程截流材料主要采用粉细砂、编织袋土及块石。粉细砂料可直接利用左、右岸一期围堰拆除料，可边拆边进占；编织袋土因考虑到装袋效率较低，截流戗堤进占前应事先装袋、暂存。左岸块石料一部分取自连接坝段围堰迎水侧护坡及护脚拆除料，其余部分需外购；右岸石料一部分取自一期右岸上、下游围堰迎水侧护坡及护脚拆除料，其余部分也需外购。围堰拆除料可边拆除边进占，外购部分要求提前购买、暂存。暂存料场的石料，应根据不同分区抛投块石粒径要求，分区存放，以备在截流时使用。

3.1.2 截流交通

该工程左岸交通，通过土坝坝顶公路及连接坝段上游围堰堰顶，可以直接到达左岸上游围堰戗堤顶，连接坝段围堰拆除料的运输可直接利用未拆除段围堰堰顶公路。右岸交通通过已建成的右岸坝顶交通桥到厂房顶下游侧，在厂房下游侧修建临时施工道路和一期纵向土石围堰相接，通过纵向围堰堰顶公路，可到达右岸上游围堰戗堤头，右岸上、下游围堰拆除料的运输可直接利用一期右岸纵向土石围堰堰顶公路。块石备料交通可直接利用一期上、下游土石围堰堰顶公路，运到指定暂存场备料。块石备料应在龙口截流之前完成。

3.2 截流计划安排

工程截流施工历时宜短不宜长，应速战速决。该工程截流戗堤龙口段块石抛投量约为39500 m3，若以500 m3/h抛投强度进占，需79 h即可合龙，该工程综合考虑施工组织等各种因素，龙口段日平均抛投强度按8000 m3/d考虑，相应平均抛投强度为334 m3/h，龙口需5 d即可合龙。根据以上进度分析，提出截流工期控制计划如下：即从戗堤进占到龙口形成，计划工期10 d，龙口合龙计划工期5 d，龙口合龙到围堰堰体填筑、围堰闭气、基坑排水计划工期35 d。从戗堤进占到基坑具备施工条件总工期为50 d。