汉江碾盘山水利枢纽一期截流设计与施工技术

2020-04-04

水利建设与管理 2020年1期

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

1 工程概况

碾盘山水利水电枢纽是国家确定的172项节水供水重大水利工程之一，也是湖北省汉江五级枢纽项目的重要组成部分。枢纽位于钟祥市境内，坝址上距雅口航运枢纽58km，下距兴隆水利枢纽117km。碾盘山水利水电枢纽工程为Ⅱ等工程，规模为大(2)型，主要永久性水工建筑物为2级建筑物，导流明渠、一二期围堰为枢纽工程的临时建筑物，级别为4级。水库总库容9.02亿m3，调节库容0.83亿m3。电站装机18万kW。通航建筑物级别为Ⅲ级。

碾盘山水利枢纽一期围堰工程由上、下游横向围堰及纵向围堰组成，一期横向围堰布置在河道右岸，左岸为导流明渠，两者之间为纵向围堰，设计均为土石围堰，梯形断面。上、下游横向围堰防渗采用塑性混凝土防渗墙上接土工膜斜墙，纵向围堰防渗采用塑性混凝土防渗墙上接土工膜心墙。导流建筑全长2338.1m，底宽250m，顶部开口宽度350～400m，两岸开挖边坡1∶3，进出口底板高程分别39m和38m的导流明渠，为满足小流量通航需求，明渠底部沿中心线扩宽80m宽抽槽，抽槽进出口高程分别为37m和36.8m，进出口与上下游河道相接。工程采用左岸明渠(一期)、右岸泄水闸(二期)过流、全年围堰挡水的导流方式。

1.1 水文气象

根据碾盘山水利水电枢纽碾盘山水文站1950—2016年多年降水资料统计，坝址处多年平均降水量为950mm。坝址处降水主要集中在春夏两季。

汉江洪水由暴雨产生。汉江流域暴雨多发生于7—9月，具有前后期暴雨的显著特点。坝址水位-流量关系、坝址分月平均流量见表1～2。

表1 坝址水位-流量关系

表2 坝址分月平均流量单位：m3/s

续表

1.2 地形、地质条件

沿山头坝址为右高左低的不对称河谷，汉江在坝址处流向呈东西向，水面宽度560m左右，江心滩将河床分为左右河槽两部分，左河槽最低高程31.6m，右河槽最低高程33.6m。汉江平水期水位41.5m左右，江心滩高程41.2m，汛期江心滩淹于水下，枯水期露出水面。左岸Ⅰ级阶地台面高程约47m。前沿往往形成4～5m的陡坎与河滩相接，在Ⅰ级阶地上修建有汉江堤防，堤顶高程51～52m；右岸沿山头一带为岗地，岗顶高程58～65m，高出汉江水位16～23m，在坝址区域内，沿山头临江形成近似直立的陡岸。沿山头下游侧沿江滩地地面高程为45～47m，宽度400～500m，滩地与Ⅰ级阶地无明显分界线。堤防内侧阶地高程47～48m。

上游围堰位于汉江河床，河床底部高程为36.79～45.66m。左岸为Ⅰ级阶地前缘，右岸为岗地。上游围堰地层结构如下：粉细砂层厚7.90～16.30m，层底高程21.88～31.00m。砂砾石层厚4.80～12.50m，层底高程18.50～21.88m。黏土厚3.0～6.40m，层底高程36.70～39.26m。泥质粉砂岩、粉砂岩揭示厚度为14.50～34.90m，层顶高程18.50～39.26m。

2 主要特点及难点

a.由于围堰河床段上部覆盖层为粉细砂，厚7.90～16.30m，层底高程21.88～31.00m；属淤积型覆盖层，覆盖层受水流作用抗冲能力差，起动流速仅为0.2～0.4m/s，河床束窄后，在截流流量、落差、龙口流速均较大时，如果保护措施不当，会在截流过程中形成冲刷性破坏、渗漏管涌性破坏、护底体系的自身稳定破坏等，造成戗堤多种形式的坍塌而危及施工人员和机械设备的安全，延长截流困难段时间，如备料不足或不满足抗冲要求，甚至会导致截流失败。淤积型覆盖层截流，综合施工技术难度大。

b.截流前导流明渠须具备通水通航条件，须拆除左岸进场路与纵向围堰侧之间通行道路及进口土埂，纵向围堰侧施工区陆上运输中断，形成孤岛，须提前备足戗堤左岸截流石料、机械设备及油料等。

c.2019年1月29日对龙口段区域四方联测成果显示，实际临时航道未按设计要求布置抽槽，与设计航道中心线存在较大交角(16°)，航道抽槽疏浚清出的淤沙直接堆积于航道两侧，在龙口上游100m处形成一较大沙洲，水流被沙洲一分为二，水流方向与戗堤轴线夹角加大，在龙口上下游附近形成漩涡，致使该部位过水流态发生变化，左侧堤头附近河床覆盖层冲刷严重，形成较深的冲坑，最低高程为26.28m，冲刷深度已达12m有余。地质资料显示，该部位已冲刷至砂砾石层。考虑到通航、左右岸交通条件及左岸备料情况，此处船抛护底施工难度大、强度高，另此处龙口截流合龙时，水深较大、抛投强度高、水力学指标高，截流施工技术难度大。

d.一期截流的流量为1110m3/s，由导流明渠分流，河床底高程平均36m，由施工期每日水情预报表可知，截流前平均水面高程38.5m，明渠进口底高程39m，且明渠进口土埂坡脚存有大量原库岸抛石护脚，明渠通水进口土埂开挖时，原老抛石水下清除困难，导流明渠的分流条件差，一期截流难度大，必须充分准备，配备足够的施工设备及料物，才能保证截流成功。

3 截流设计

3.1 截流时间及相应流量

综合考虑施工进度安排、水文气象资料分析结果及现场施工条件，截流时段安排在3月底进行。根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2017)的规定，截流标准可采用截流时段重现期5～10年的月平均流量，设计采用3月份P=20%的月平均流量Q20%=1110m3/s。

3.2 截流方式

本工程一期横向围堰布置在河道的右岸，左岸为导流明渠，两者之间为纵向土石围堰。

由于一期上游横向围堰预进占时期，导流明渠还未过水，河水仅通过束窄的右岸河床过流，此时左岸交通可利用导流明渠进口土埂或明渠内道路经裹头围堰到达截流戗堤左肩头，到龙口合龙阶段，明渠已经过水，戗堤左岸纵向围堰已成孤岛，须利用事先准备在纵向土石围堰上游处的机械车辆及河道存渣场的截流备料进行龙口段的抛填。

右岸有道路可以抵达围堰肩头，考虑实际施工进度及防洪度汛基坑充水反压要求等因素，本工程选择上游左右岸双向进占单戗立堵的截流方式，戗堤预进占阶段主要从左岸进占、右岸辅助。合龙阶段以右岸为主、左岸辅助，分流建筑物为导流明渠。

3.3 截流戗堤布置

本工程截流戗堤与上游土石围堰体型相结合[1]，布置在围堰轴线的下游侧，河床截流后，该戗堤结构将成为上游土石围堰堰体的一部分。本工程上游围堰上部采用土工膜斜墙，下部为内嵌混凝土防渗墙的土石围堰。为防止截流时戗堤大粒径抛投料流失进入防渗墙槽孔部位导致防渗墙施工难度增加，避免形成集中渗流通道而影响围堰安全运行，截流戗堤布置于防渗墙下游侧。截流戗堤中心线位于大坝上游围堰轴线下游24.33m处、防渗墙下游50.32m处，呈直线布置。截流戗堤布置剖面如图1所示。

3.4 戗堤断面

本工程导流建筑物为4级，截流戗堤的设计洪水标准为12—4月P=20%，洪峰流量1530m3/s，经计算，对应的上游水位为42.76m，确定戗堤顶高程为43.5m。上游围堰戗堤顶宽为12m，戗堤按梯形断面设计，上下游坡比均为1∶2。截流戗堤填筑材料为石渣和块石料，截流戗堤总长726m。

图1 截流戗堤布置剖面图 (高程单位：m，尺寸单位：m)

为降低截流石料的抛投强度及增加戗堤进占的工作面宽度，根据截流前近期坝址水文情况及截流模型试验成果，截流戗堤临时堤顶高程控制在高于戗堤上游水位1.2m处，待戗堤合龙后再快速加高至设计高程43.5m。不同流量下戗堤合龙前戗堤临时堤顶高程控制见表3。

表3 合龙前戗堤临时堤顶高程控制

3.5 龙口位置及宽度

根据截流水力学计算及抛投强度分析，将龙口布置于河床靠右岸位置。经过截流水力学计算，确定右岸向左岸预进占113m，左岸向右岸预进占353m，并做好裹头保护，形成260m宽的龙口。上游横向围堰戗堤进占布置及龙口位置见图2。

3.6 截流水力学指标的确定

碾盘山水利水电枢纽工程一期河床截流为淤积型覆盖层河床截流，不仅存在覆盖层冲刷带来的截流风险，且存在施工期通航问题。为确保安全经济截流，有效解决相关关键技术问题，采用1∶90截流整体模型进行了试验研究。

图2 上游围堰戗堤进占布置图

考虑到上游丹江口水库的调蓄作用，截流时流量不一定达到1100m3/s。为实现安全、经济的截流目标，试验紧密结合现场实际，在原地形、实测地形两种地形边界以及设计及实测两种水位流量关系边界条件下，对截流设计流量Q=1110m3/s及Q=650m3/s、Q=845m3/s、Q=1310m3/s等四级流量下截流进占过程水力特性进行了测试及分析[2-3]。截流设计流量对应龙口水力指标见表4，各工况戗堤龙口段特征水力参数对比见表5。

表4 龙口段进占截流水力特性汇总(Q=1110m3/s)

表5 各工况戗堤龙口特征水力参数对比

在实测地形及实测水位流量关系边界条件下，在截流设计流量Q=1110m3/s时，戗堤合龙后截流总落差为1.59m，戗堤落差为1.23m，戗堤上游平均水位为41.07m；堤头及龙中线最大流速发生在龙口宽30～15m阶段，堤头最大流速为3.92m/s，龙中最大流速为4.00m/s；整个截流进占可用中石完成截流，无流失。

在实测地形条件下，各级流量下的截流总落差及戗堤落差规律不明显。主要是因为明渠底板高程为39.00m，介于几级流量的下游控制水位之间，为敏感水位段，下游水位变化对明渠的分流能力影响较大。在实测地形条件下，各级流量下的左右堤头及龙口流速有随流量增大而增大趋势。在Q=845～1310m3/s时，左右堤头最大流速在3.45～4.08m/s间，龙口最大流速在3.28～4.00m/s间。

3.7 龙口分区及抛投物料

根据截流模型试验成果、设计及通航要求、龙口布置情况及截流强度等，上游横向围堰截流戗堤分为非龙口段及龙口段。非龙口段为左、右岸预进占段，右岸向左岸预进占113m，左岸向右岸预进占353m，均在堤头抛投大块石裹头保护。龙口段宽度260m，分为4个区，详见图3。

分区情况如下：

a.龙口Ⅰ区。龙口从右岸单向进占，龙口宽度由260.0m进占至90.0m，左岸暂不进占，右岸进占170m，龙口流速1.64～2.50m/s(左)。

b.龙口Ⅱ区。龙口从左右岸双向进占，龙口宽度由90.0m进占至60.0m，左岸进占10.0m，右岸进占20.0m，龙口流速2.27～3.20m/s(右)。

图3 龙口分区抛投石料剖面图

c.龙口Ⅲ区。龙口从左右岸双向进占，龙口宽度由60.0m进占至15.0m，左岸进占20.0m，右岸进占25.0m，合龙进占进入最困难段，龙口流速2.27～4.00m/s(中)。

d.龙口Ⅳ区。龙口从左右岸双向进占，龙口宽度由15m进占至合龙，左岸进占7.0m，右岸进占8.0m，龙口流速4.00～0.00m/s。

根据截流工程的难易程度、截流模型试验成果及岩石特性，截流抛投料物分别选择中块石、大块石及混凝土块串体。龙口抛投材料粒径按照伊兹巴什公式的计算结果，并参照国内外水电工程截流的实际资料，综合分析确定。当量直径0.7～0.9m为大石，当量直径0.4～0.7m为中石，当量直径大于0.9m为特大石，混凝土块2m×0.5m×0.5m(导流明渠防护用铰链排混凝土预制块)，混凝土块预埋DN32PVC管，采用6×37+FC、公称直径17.5mm的钢丝绳，每6～8块串联并用U形卡扣相接组成混凝土块串体。在龙口流速较小的抛投区，主要使用中块石；在龙口流速大的抛头区主要使用大块石，局部部位和时段采用特大块石及混凝土块串体，以抵抗水流冲刷，保证戗堤稳定。根据截流水力学计算成果，参照类似工程截流施工经验，结合截流模型试验成果，总结龙口不同分区的抛投材料数量，见表6。

表6 龙口分区及抛投材料数量

3.8 龙口护底

淤积型覆盖层截流，覆盖层多由泥质粉细砂、泥质砂砾石、淤泥质黏土、淤泥以及中粗砂等组成，其抗冲能力极差，在截流流量、落差、龙口流速均较大时，如果保护措施不当，会在截流过程中形成冲刷性破坏、渗漏管涌性破坏、护底体系的自身稳定破坏等，造成戗堤多种形式的坍塌，危及施工人员和机械设备的安全，延长截流困难时间，如备料不足或不满足抗冲要求，甚至会导致截流失败。根据以往施工经验，对于淤积型覆盖层河床截流，须采取适当的护底措施及必要的基础保沙措施和戗堤防渗措施。

根据截流模型试验成果、设计及通航要求等，于3月1—15日(平均流量653m3/s)上游围堰戗堤截流前，对龙口桩号0+353～0+559进行了平抛护底，护底石料为粒径0.4～0.7m的中块石，船抛石料共13394.21m3，其中戗堤桩号0+353～0+453水深2.5～12m，最大流速1.48m/s，护底均厚3.5m；戗堤桩号0+453～0+559平均水深2.5m，流速0.7～0.84m/s，护底均厚0.5m。

3.9 截流强度和施工设备

龙口抛投强度与戗堤前沿能同时布置的抛投点数成正比，根据经验公式及所选参数，考虑流失系数、龙口合龙总抛投量，龙口Ⅰ区长度170m，龙口从右岸单向进占，计划耗时5天,抛投2.83万m3，抛投强度为340m3/h；龙口Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区长度共90m，左右岸双向进占，计划耗时2天，抛投强度为680m3/h，左右岸戗堤共布置4个卸料点同时卸料。

施工设备的配置和布置须满足截流施工强度的要求，且考虑截流道路布置、设备完好率等。为满足截流抛投强度的要求，须配备足够的装、挖、吊、运设备，优先选用大容量、高效率、机动性好的设备，根据截流抛投强度680m3/h配置挖装运设备。截流选用的主要设备见表7。

表7 截流施工主要机械设备

3.10 截流水情预报

a.水情预报由已经投入运行的水情中心进行中短期预报，每天预报。截流水文勘测委托长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局实施，及时将预报及勘测数据传至截流领导小组和截流指挥部。

b.在已建3个水位站(坝上、坝下、取水口)的基础上，新设4个比降观测水尺断面，分别在龙口宽度240m、200m、160m、120m、90m、60m、30m处各同步观测一次。龙口左右岸戗堤堤头上、中、下各布设一个水位观测点，龙口宽度在230～90m每间隔4h、90～60m每间隔2h、60～30m每间隔1h、30～15m每间隔0.5h观测一次。选择岸坡较为稳定的地段设立安装水位自动记录仪器，设立搪瓷直立式水尺。在龙口附近随着龙口宽度的缩窄，采用全站仪无棱镜直接观测法施测。

c.流速测验布设13条测速垂线，采用船载ADCP或三体船搭载ADCP定点测量、电波流速仪等方法施测。在明渠与河道的上游分流点以上河段布设1个流量测验断面，在分流明渠及龙口，龙口上、下围堰位置各布设1个流量测验断面，采用橡皮快艇搭载走航式ADCP施测。

截流具有边界条件多变，水力条件复杂的特点，为进一步验证截流模型试验报告的可行性和合理性，必须在截流施工中进行原型观测，一方面指导截流施工进展，另一方面及时发现问题，以便采取相应有效措施。

4 截流施工

4.1 截流备料

按1110m3/s截流设计水力学指标及抛投材料、截流模型试验及河床地形测量成果等进行备料，为保证截流顺利实施，参照类似工程的截流经验，备料系数取1.3。截至龙口截流前，共备料6.93万m3,其中中块石5.94万m3，大块石0.99万m3，混凝土块438块，串联混凝土块的φ17.5钢丝绳500m，U形卡扣150个。所有用于截流的材料均按规格分类在左右岸划分好的备料场堆放，并立牌标识，以便截流时统一指挥调度。

4.2 截流道路设计

根据截流双向进占的安排，截流道路及备料场分布在左岸和右岸，右岸料场布置在场内R3道路坡脚梯田，距右岸堤头0.7km，右岸料场道路根据场地情况修筑临时R4道路，宽度不小于15m，坡比控制在8%以下，考虑到截流时右岸进占为主，抛投强度大，将右岸截流道路布置成环形，重车从右岸料场经R4道路下坡至戗堤，空车上坡经R3道路返回料场。右岸料场布置在纵向围堰平台及上游横向围堰防渗墙施工平台，距左岸堤头0.5km，根据场地情况将左岸截流道路亦布置成环形，重车从左岸料场经纵向围堰平台下坡至戗堤，空车上坡经防渗墙石渣平台返回料场。

4.3 截流施工策划

为了保障截流顺利实施，项目部组织编写了《截流施工作业手册》并发放至每一个参与人员手中，按照“一线五点法”对截流任务进行分解，确保每一个小组、每一个参与人员都明确自己的岗位职责。同时组织了相关单位的导截流施工专家现场培训指导，对突发情况现场解决，确保截流顺利完成。

4.4 截流演习

2019年3月10日上午在右岸已完成预进占段堤头开展龙口截流演习，对截流实施过程中的抛投强度进行对比分析，对料场、道路、堤头指挥、人员设备等的工作衔接及配合进行了暴露整改，演习抛投强度达到470.15m3/h，满足截流设计抛投强度。演习主要检验整个截流施工组织和资源配置是否存在漏洞，通过演习进行资源优化及补充，使截流各项工作衔接到位、指令通达及反应迅速，截流过程中的实际抛投强度不小于理论计算强度，确保截流顺利实施。

4.5 预进占施工

2019年1月26日非龙口段预进占完成，预进占戗堤按顶高程39.5m和设计图纸控制戗堤体型。

左岸戗堤预进占353m，进占物料以中石料为主，围堰土方预进占330m，左岸戗堤预进占填筑石渣料方量6.03万m3；右岸戗堤预进占113m，进占物料以中石料为主，围堰土方预进占100m，右岸戗堤预进占各类填筑料总计2.81万m3。

戗堤预进占前对围堰岸坡进行修整，以保证施工质量。戗堤预进占施工时，戗堤落差和流速相对较小，中石石渣料即可稳定，在戗堤前沿全线均匀抛投，使用中石石渣料全断面抛投施工。填筑料采用自卸汽车运输，全断面端进法抛填，推土机配合施工。

预进占完成后用大块石对左、右岸堤头进行保护，大块石采用20～25t自卸汽车运至堤头工作面，推土机直接沿堤头坡面推赶，形成龙口裹头保护，保护水位以下预进占戗堤不被水流冲刷掏空。

考虑到淤积型覆盖层截流的各类风险，须采取必要的戗堤防渗措施，为尽快提供围堰防渗墙施工作业面，在戗堤进占过程中同时跟进填筑抗渗性能较强的石渣、黏土等材料，以提高戗堤自身的抗渗能力、自稳能力及提供防渗墙工作面。

4.6 龙口段施工

根据水力学计算、模型试验成果、截流施工方案及河床地形测量成果等，龙口分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4区。龙口段施工主要采用全断面推进和凸出上游挑角两种进占方式，在施工中，大块石以堤头集料为主，中石以汽车直接抛投为主。为满足抛投强度，视堤头的稳定情况，采用自卸汽车直接抛填，部分采用堤头集料，大功率推土机赶料方式抛投。

龙口Ⅰ、Ⅱ区龙口流速不是很大，主要采用中块石直接抛投，2～3个卸料点进占，即自卸汽车运料至堤头后直接卸料入水中，少量块石由推土机配合推入水中。龙口Ⅲ、Ⅳ区流速较大，截流最为困难，为避免抛投量大量流失，抛投大块石、混凝土串体时，重点抛投上角及下游突出部位，先在上游侧抛投大料，将水流分离戗体，再用大料抛投下游侧，将落差分担在上下游两侧，然后再用中石抛投中间，如此轮番交替进占，经过此阶段后上游水位壅高较大，流速减小，此时加快抛投强度，使之尽快合龙。

上游围堰戗堤合龙过程及完成后，及时在戗堤上游侧填筑黏土料及碎石土，以减少围堰的渗漏量，便于防渗墙进场施工。下游围堰施工在静水中进行，不再做戗堤，直接使用相应的填筑料分区填筑。

2019年2月26日的河床实测数据显示，临时航道疏浚形成的沙洲致使流态变化，导致左堤头冲刷严重，考虑到平抛护底工程量加大，2019年3月10—14日对右岸戗堤桩号0+613～0+506进行了再次预进占，戗堤上下游落差基本为0，最大流速1.7m/s，最大流量666m3/s。2019年3月14日导流明渠分流，根据水情中心预报及明渠进口冲渣需要，于2019年3月16日实施汉江截流。截流时段最大流量为730m3/s，实测最大龙口水深14.6m,实测龙口最大流速达4.2m/s，截流落差实测1.24m，戗堤顶高程41.5m。3月16日10时12分开始龙口合龙施工，实测分流流量及龙口水力学指标见表8。

2019年3月19日18时10分龙口合龙，右岸进占长度223.94m，左岸进占长度36.06m，总进占长度260m，截流戗堤抛投总量126837.2m3，龙口抛投量55120.75m3，最大小时抛投强度达到767.93m3。