大石峡水利枢纽工程施工导截流方案

何 伟

(新疆塔里木河流域大石峡水利枢纽工程建设管理局，新疆 阿克苏 843000)

1 工程概况

大石峡水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区，阿克苏河一级支流——库玛拉克河中下游温宿县与乌什县交界处的大石峡峡谷出口河段。枢纽距下游已建的小石峡坝址约11km，距阿克苏市约100km。大石峡水利枢纽工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一，具有向塔里木河干流生态供水、灌溉、防洪、发电等综合效益。

大石峡水利枢纽工程属Ⅰ等大(1)型工程，水库总库容11.7亿m3，电站总装机容量750MW，年发电量18.93亿kW·h。枢纽工程由混凝土面板砂砾石坝、表孔溢洪道、中孔泄洪排沙洞、深孔排沙放空洞、生态放水孔、引水和发电厂房等建筑物组成，最大坝高247m。泄水、导流建筑物、引水及发电建筑物均布置在左岸。

本工程采用全年围堰一次拦断河流、导流洞导流方式。导流洞于2017年11月开工，2019年11月截流，2020年5月底围堰已经施工至设计高程1539.00m。

2 工程施工导、截流特点

2.1 自然环境影响

大石峡坝址区多年平均气温11.5℃，一月份平均气温-6.7℃，七月份平均气温24.9℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温-22.0℃，多年平均降水量129.5mm。坝址处河流多年平均流量154.5m3/s。库玛拉克河洪水主要由冰川、永久性积雪和季节性融雪水及降水形成，洪水类型主要分为：融冰雪型洪水、冰川阻塞湖溃决型洪水、融冰雪和降水混合型洪水，6—9月为主汛期，11月至翌年5月为枯水期。

工程区气温年际变化大，冬季寒冷且持续时间长，昼夜温差大，日照时间长，堰体防渗结构从防冻和防紫外线老化等耐久性因素考虑宜布置在堰体中心部位。

2.2 地形地质条件影响

坝址区为典型峡谷地形，河谷呈基本对称的“V”型。两岸均为基岩边坡，山势高陡，自然边坡坡度一般45°～75°，局部近直立。河床主要堆积漂石砂卵砾石层，两岸坡脚混杂崩坡积大块石及碎石，下游小石峡水电站2012年蓄水前围堰处河水位高程1481.70m，小石峡水电站下闸蓄水后库尾经过近7年的淤积，河床新增淤积砂砾石厚度约5～8m，河床覆盖层厚度约为20～23m。覆盖层下伏基岩为微晶灰岩夹紫红色厚层灰质砾岩，层面较发育，岩体完整性较好，河床基本无强风化岩体，弱风化深度15～20m。

工程区天然砂砾料储量丰富运距较近，建筑物开挖石渣微晶灰岩为中硬岩，最近的土料场距工程区约50km，厚度较薄且拟开垦利用。

工程区缺乏黏土料，防渗材料不宜选择土料；河床覆盖层厚度小于30m，大孤石、漂石含量较少，基础防渗采用高压旋喷墙的条件较好；上游围堰较高，河谷狭窄，两岸基岩岸坡较陡，故截流道路布置以及围堰的填筑道路布置均非常困难。

2.3 工程建设要求

上游围堰高度达54m，填筑量约48万m3，高压旋喷面积约0.6万m2，截流时间确定在11月下旬，5月底库玛拉克河进入汛期，上游围堰施工时间只有6个月，基本位于气温较低的冬季，围堰填筑和防渗规模大，汛前完成围堰工程工期紧张。

3 施工导流方案

3.1 导流方式

大石峡水利枢纽位于峡谷出口段的河湾处，左凸右凹，河谷呈基本对称的“V”型谷，两岸陡峻，河谷常水位下河宽约30～50m，地形狭窄，不具备河床导流分期条件，导流和泄水建筑物均利用左岸突出山梁裁弯取直布置，出流条件好，故导流方式采用河道一次拦断河床、隧洞过流的方式进行施工导流，导流洞下闸蓄水后深孔排沙放空洞和中孔泄洪排沙洞控泄限制水库抬升水位，并进行导流洞封堵。

3.2 导流设计标准

大石峡水利枢纽工程为Ⅰ等大(1)型工程。挡水建筑物最大坝高247.5m，为特高混凝土面板堆砂砾石坝，下游有小石峡水电站及阿克苏等城镇。根据规范[1]第4.8.1条规定，施工期间临时性建筑物挡水、泄水标准根据保护对象、失事后果、使用年限及临时性挡水建筑物规模，综合确定围堰和导流建筑物的级别为4级。

根据规范[2]第5.6.1条规定，同时结合大石峡工程特点，围堰挡水标准取土石结构临时挡水建筑物的上限20年一遇洪水，洪峰流量2266m3/s，上游围堰最高挡水水位1534.46m，下游围堰最高挡水水位1492.31m。

3.3 导流建筑物设计

导流洞布置在河湾地形的凸岸(左岸)，导流建筑物全长1557.9m，由进口明渠、闸室段、洞身段、出口明渠段组成，其中隧洞长1200m，断面型式为“城门洞型”，洞内流态按有压洞设计，出口按非淹没出流设计，隧洞过常遇流量时为明流，相应流态为陡坡急流。

导流洞进口明渠和闸室段长度24m，采用岸塔式结构形式，闸室内设中墩，2孔布置，单孔尺寸5m×14.5m。导流洞进口底板高程1487.00m，洞身断面为10m×14.5m，隧洞纵坡i=6.67‰，全洞采用钢筋混凝土衬砌[3]。出口明渠由底流消能段和出口明渠段组成，底流消能段长150m，出口明渠扩散段长207.9m，明渠之外采用钢筋混凝土海漫与河道相连。

4 施工截流方案

4.1 截流时机

截流时间宜选择在汛后，以便在枯水期内有充足的时间来完成围堰填筑。根据库玛拉克河水文特性，10—11月为汛后退水期，11月份的流量明显减少，选择在11月份截流较为合适。工程区冬季气候寒冷，持续时间长，11月底即进入冰冻期，河道开始结冰，考虑及早截流，可以给截流、戗堤闭气及防渗墙施工创造较好的条件。结合施工形象和围堰度汛要求，大石峡水利枢纽工程主河床截流时间选择在2019年11月上、中旬合适，并宜及早截流。

根据规范[2]，截流标准可采用截流时段重现期5～10年一遇的月或旬平均流量，考虑本工程规模大，截流标准取上限，选择11月上旬10年一遇旬平均流量，相应流量为61.2m3/s。

4.2 截流方案

4.2.1截流戗堤方式及龙口位置确定

根据上游围堰地形条件、采用上戗堤单戗立堵截流方式，龙口设在左岸，由右岸向左岸进占施工。鉴于本工程戗堤布置处河谷宽度只有大约40m，岸坡基岩裸露，截流前戗堤不进行预进占。

根据截流设计流量、导流洞泄流能力及龙口水力学条件[4- 5]，确定戗堤挡水水位为1489.55m，考虑波浪爬高及安全超高后戗堤顶高程取1491.50m。戗堤顶宽根据抛投强度要求，为满足3～4辆20t自卸汽车同时抛投作业，戗堤顶宽定为20m。戗堤按梯形断面设计，其迎水端头设计坡比为1∶1.3，上、下游坡设计坡比均为1∶1.5。

4.2.2截流水力学计算

通过截流水力学计算结果，采用单戗堤单向截流时，戗堤最高上游水位为1491.72m，最大落差为2.42m，龙口最大流速为4.44m/s，最大单宽流量为4.66m3/(s·m)，最大单宽功率8.76t·m/(s·m)。

大石峡围堰戗堤布置在围堰高喷墙的上游，为防止钢筋笼(或大粒径石渣)落入高喷墙施工区域，戗堤轴线与高喷墙轴线相隔一定的安全距离，需复核计算截流抛投物预留冲距，计算时利用经验公式估算[2,6- 8]。

(1)

式中，L—抛石冲距，m；H—龙口水深，m；v—龙口垂线平均流速，m/s；d—块石折算直径，cm。

截流时抛投块石粒径及冲距计算成果见表1。

表1 抛投块石粒径及冲距计算成果表

采用围堰上游戗堤方案时，从表1看出，上游抛石冲距最大为13.32m，设计的截流戗堤下游坡脚距高喷墙轴线约87m，抛石冲距远小于此距离，截流戗堤抛投物对围堰防渗高喷墙施工不会造成影响。

4.3 截流建筑物设计

4.3.1围堰堰型确定

由于围堰填筑前场内道路和左岸联合进水口开挖已经开始，堆石料和天然砂砾料充沛，考虑充分利用开挖渣料和当地材料，上下游围堰均采用土石围堰。大石峡河床为砂卵砾石层，目前高压旋喷技术成熟，适应各种坝基，既经济又安全可靠[4- 5]，基础防渗采用高压旋喷墙；考虑土工膜在气温5°C以上及无雨时即可正常施工，施工进度快，不会干扰上下游填筑[8- 10]，因此堰体防渗采用土工膜心墙防渗。

4.3.2高压旋喷墙施工平台高程确定

依据施工进度安排，上游围堰高喷防渗墙施工工期为2019年11月至12月底。上、下游围堰防渗墙施工平台按其施工时段5年一遇挡水标准设计，取11—12月5年一遇洪水标准，相应流量为Q20%=68.1m3/s，相应上游堰前水位为1492.05m。考虑一定的安全超高、涌浪高度后，确定上游围堰防渗墙施工平台高程为1495.00m，下游围堰防渗墙施工平台高程为1491.00m。

4.3.3围堰断面设计

上、下游围堰均采用复合土工膜心墙土石围堰，根据规范[1]第2.4.20条规定，堰顶高程顶部不应低于设计洪水的静水位与波浪高度及堰顶安全加高值之和，考虑到小石峡蓄水后，河床不同程度淤积抬高，上游围堰高度需预留一定裕度，确定上游围堰堰顶高程1539.00m，下游围堰堰顶高程1495.00m。

(1)上游围堰断面形式。上游围堰堰顶高程取1539.0m，围堰最大高度54.0m，顶宽为10m，上游坡比为1∶1.65，下游坡比为1∶1.3，顶部长度197m，最大底宽约195m，下游坡脚距离大坝上游开挖线约40m，上游坡脚距离导流洞进口约40m。高压旋喷灌浆施工平台高程1495.00m，旋喷墙深约30m。1495.00m高程以上采用土工膜心墙进行防渗，土工膜高度约44m，土工膜上、下游侧采用砂砾石垫层进行保护，厚0.7m，垫层下游设置过渡区，厚2.4m。围堰两岸采用帷幕灌浆防渗，灌浆孔间距为3m，孔深7m。截流戗堤位于围堰下游侧。围堰在上下游侧各设置两级2m宽马道。围堰填筑料主要采用开挖石渣料和天然砂砾石料。

(2)下游围堰断面形式。下游围堰堰顶高程1495.00m，最大高度8.5m，考虑交通要求，围堰顶宽12m，上、下游坡比均为1∶1.8，堰顶长度246m，最大底宽44m。围堰防渗型式采用高压旋喷墙+土工膜心墙的型式，防渗墙施工平台高程1491.0m，高喷防渗墙最大深度13.5m。1491.0m高程以上采用土工膜心墙进行防渗，土工膜高度约4.0m，土工膜两侧采用砂砾石心墙进行保护，墙厚4m。围堰下游坡采用1m厚的块石进行防护。

通过稳定及渗流分析，上、下游围堰稳定安全系数满足规范要求，围堰各分区渗透比降均小于允许安全值。上、下游围堰剖面及具体结构尺寸见图1—2。

图1 上游围堰剖面图(尺寸单位为cm，高程单位为m)

5 施工导、截流方案实施

5.1 河床截流施工场地条件及道路布置

主河床截流前右岸有沿河路通向上游临时弃渣场，并通过上游临时桥与左岸相通，左岸有低线过坝交通洞沟通上下游交通，左、右岸均具有截流施工的交通条件。左岸低线过坝洞出口处以及右岸临时桥下游均具有施工场地条件。其中右岸临时桥下游场地面积约0.4万m2，满足截流备料堆放及截流施工期生产设施布置要求，若从右岸进占截流则所用石渣料可采自于上游弃渣场；若从左岸进占截流则左岸低线过坝交通洞出口处场地面积稍显不足，且左岸作为备料场地及截流所用石渣料只能利用下游弃渣场，运距均较远。因此，推荐从右岸进占截流，右岸临时桥下游台地作为截流备料场地使用。截流交通及场地布置如图3所示。

图2 下游围堰剖面图(尺寸单位为cm，高程单位为m)

图3 截流道路及场地条件示意图(视角从上游向下游看，围堰轴线在贝雷桥附近)

5.2 导流洞进口临时围堰拆除

导流洞进口临时围堰采用高压旋喷心墙+混凝土挡水墙，截流前必须予以拆除。首先采用破碎锤将上部混凝土挡水墙及高喷墙破碎，采用挖机从进口上游至下游将石渣装运至下游弃渣场。如图4所示。

图4 导流洞进口临时围堰拆除示意图(反铲位置即为导流洞进口围堰位置)

5.3 截流戗堤进占

根据合龙过程中不同宽度龙口的流速、落差及单宽功率等水力学指标，本工程龙口段进占共划分为3个区，以便于施工时控制抛投材料及采用适当的抛投技术。经计算进占Ⅰ区抛投石渣2100m3，进占Ⅱ区抛投中石2500m3、大石650m3，进占Ⅲ区抛投中石2200m3、大石1500m3，整个合龙时间控制在1d内，龙口抛投强度大于500m3/h。截流进占分区示意如图5所示。

图5 截流戗堤进占分区示意图(尺寸单位为cm，高程单位为m)

5.4 戗堤合龙

截流时龙口流速较大，需要高强度抛投施工，故在右岸上游弃渣场布置1台1.6m3的反铲及3辆20t的自卸汽车进行石渣拉运。在左岸过坝交通洞进口布置2台1.6m3的反铲及10辆20t的自卸汽车，负责截流戗堤抛投料的装运，在贝雷桥下游右岸场地1台1.6m3的反铲及8辆20t的自卸汽车，进行块石、钢筋笼、黏土闭气料的装运，戗堤平台布置一台SD22推土机进行平料。截流戗堤采用单戗立堵右岸进占，戗堤上车辆运行道路布置为加宽三车道。合龙进占由右岸向左岸推进，各区段在进占过程中，应先在戗堤上游侧抛投大块径料形成挑角，然后在下游侧抛投小块径料，截流过程中根据抛投料的流失量，及时调整抛投料组合粒径，当截流进入困难段时，采取2—3辆车并排同时抛投，截流戗堤宽度20m，并适时将特殊料由推土机推入龙口。

2019年11月23日，库玛拉克河成功截流。

6 结语

施工导截流是大石峡水利枢纽工程建设的里程碑节点，大石峡截流设计考虑了低温气候、黏土料缺乏、狭窄的河谷地形、覆盖层较厚等因素对防渗结构设计、截流和围堰填筑道路布置的不利影响，采用复合土工膜心墙堆石围堰一次拦断河床、大坝基坑全年施工、利用左岸凸出山梁裁弯取直布置导流洞过流的导流方式。大石峡水利枢纽立足于现有工期紧张、截流布置困难的施工条件，在确保上游围堰安全的施工情况，改善截流条件，将截流时段调整到11月下旬，减少了截流施工难度，保证了后续围堰填筑、高压旋喷防渗墙施工周期，可为寒冷峡谷地区同类工程导、截流设计提供借鉴。