金沙水电站非天然河床流量下导流明渠截流关键技术研究

李瞬旭燕 段会平 李雷

摘要：金沙水电站三期截流戗堤位于导流明渠内，导流明渠过水面较窄、水流深、流速大，若上游水电站受电网调节，河床流量将远远大于正常径流的两倍以上，增加截流难度及风险，影响金沙水电站建设周期。因此，开展非天然河床流量下导流明渠截流关键技术研究十分有必要。通过建立截流模型试验获取水力学数据，优化截流方案，最终顺利实现了导流明渠截流并取得较好的经济效益，值得推广应用。

关键词：导流明渠; 截流模型试验; 非天然河床流量; 金沙水电站

中图法分类号：TV551.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.004

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0014 - 05

0 引 言

金沙水电站三期截流时，截流仅能采用立堵、单向进占方式，截流设计标准为11月下旬重现期10 a的旬平均流量，Q=1 470 m3/s。明渠截流落差超过4 m，加之明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑不利于抛投料的稳定堆积，同时截流流量受上游水电站调控，截流时流量变化大，截流难度较大[1]。为实现安全经济截流，有必要进行非天然河床流量下导流明渠截流关键技术研究[2]。开展了截流物理模型试验研究，制定了安全经济的截流实施方案，为工程截流设计施工提供依据，保证截流一次性成功。

1 工程概论

金沙水电站左岸布置电站建筑物，右岸布置泄洪、导流设施。该工程采用明渠分期导流方式[3]。导流明渠布置于右岸，导流共分为3期：① 一期进行右岸导流明渠和混凝土纵向围堰施工;② 二期主河床截流，在二期土石围堰和混凝土纵向围堰保护下施工3孔河床溢流坝段、厂房坝段和左岸非溢流坝段，水流从导流明渠下泄;③ 三期进行导流明渠截流。泄流能力试验研究目的为测量戗堤闭气落差，初步判断截流难度以及复核戗堤顶高程合理性。

2 三期截流模型试验

2.1 模型设计及制作

模型为正态整体模型，按重力相似准则设计，与原型保持几何相似、运动相似和动力相似。模型比尺为1∶80（Lr=80）。模型长37.0 m，宽5.5 m，高1.5 m，模拟了坝轴线上游1 200 m至下游1 500 m范围内高程1 030 m以下的河道地形。

地形采用等高线法制作。地形、各期导流上下游土石围堰采用水泥砂浆抹面，纵向围堰、明渠与表孔溢流坝面采用水泥砂浆刮制，表孔闸墩、表孔缺口及排沙孔等采用有机玻璃制作。模型制作和安装精度均符合SL 155-2012《水工（常规）模型试验规程》和SL 163-2010《水利水电工程施工导流和截流模型试验规程》要求。

河道糙率是洪水演进模拟中的重要参数，根据三期围堰工程下泄流量与上下游水位对应关系，本次研究区域内糙率取值为0.040～0.066。

试验采用电磁流量计量测流量，采用水位测针量测水位，采用小旋桨流速仪量測流速。仪器设备均经过检验，并在有效期内，满足测试要求。

2.2 泄流能力试验

排沙孔+2个表孔+1个表孔缺口的泄流能力试验在明渠封堵条件下进行。试验流量区段为304～1 640 m3/s，试验流量级5级。试验成果如表1～2所示。

试验证明：戗堤顶高程合理，下游水位对分流建筑物顶托作用较大，对于明渠截流，由于底板光滑，Q=950～1 470 m3/s的戗堤闭气落差高于3.50 m，根据模型试验流失量判断，截流难度将会较大[4]。

2.3 截流水力特性研究

考虑到明渠截流难度大，根据现场实际条件，选取可能降低截流难度的多种方案进行试验。

2.3.1 方案一

截流戗堤桩号0-89.9 m，即设计位置，由右向左采用单戗立堵方式进占。该方案下进行截流前需增设一条马道，以便抛投料的运输，马道高程为1 007.0 m，宽7 m，坡度1∶1.5接明渠底板。

该方案在设计流量Q=1 470 m3/s时截流难度较大，其截流终落差为4.92 m，龙口围堰宽度B=29 m的龙口、堤头的最大垂线平均流速分别为5.77，6.55 m/s，龙口下游的最大流速为8.13 m/s，该区段抛投料流失量较大。同时，截流戗堤轴线位于坝轴线上游89.9 m处，其右侧为陡峭山体，需在明渠内铺设道路，方便进料车的进出，道路施工困难，成本较大。

2.3.2 方案二

考虑截流进占交通问题，戗堤与围堰不结合，将戗堤轴线一端布置在纵向围堰头部，另一端与右岸道路相接，戗堤轴线位桩号0-279.95 m。

方案二截流难度较大，其截流终落差为5.00 m，截流困难段围堰宽度B=38～22 m区段堤头的最大垂线平均流速为5.84 m/s，龙口中心线处垂线平均流速达8.73 m/s。该方案的截流戗堤轴线位于明渠进口处，道路交通较为方便。

2.3.3 方案三

鉴于方案二进占前依然要沿高程1 007.0 m平台铺设近80 m长的马道，工程量较大，为达到安全经济截流目的，对方案二的截流戗堤轴线再次进行了优化，进占起点直接从高程1 007.0 m宽平台开始，另一端仍位于纵向围堰头部。

该方案在设计流量Q=1 470 m3/s时截流终落差为4.52 m，截流困难段B=33 m时，堤头的最大垂线平均流速为5.46 m/s，龙中线垂线平均流速达9.31 m/s。该方案的截流戗堤轴线位于明渠进口处，无需铺设道路。3种方案水力参数对比见表3。

在方案三各级流量下，水流行进平稳，堰前水面平静，分流建筑物进流顺畅，消力池水体波动较小，与下游水面衔接平顺，排沙孔出流顺畅，水面波动不大;明渠进流顺畅，纵向围堰堤头未发现明显的绕流现象，适合截流施工。

综上，在设计流量Q=1 470 m3/s时，方案三的落差、流速等水力特性参数均小于方案一及方案二，虽方案一及方案二的总抛投量小，但不含预增马道的抛投量，从施工工期和安全经济等方面综合考虑，推荐方案三。

3 截流方案设计及施工

3.1 截流水力学计算

根据DL/T 5741-2016《水电水利工程截流施工技术规范》附录A对该工程三期截流开展水力学计算，水力特性参数如表4所示。

水力学计算与模型试验成果总体偏差不大，水力学计算结果最大流速为6.586 m/s，模型试验成果最大流速为6.93 m/s，水力学计算结果偏小。因三期截流模型试验采用水工整体模型，完全模拟金沙水电站同种工况，为保证三期截流施工更为顺利、安全，龙口抛投料品种和数量计算时采用最大流速较大、成果更为真实可靠的截流模型试验成果[5]。

3.2 龙口施工区段划分及抛投料物

上游截流戗堤龙口从右岸向左岸单向立堵进占，为便于施工时控制抛投材料，根据合龙过程中不同龙口宽度的流速[v]、落差[z]等水力学指标，将龙口划分为两个施工区段（不含预进占及结束段）。预进占：围堰宽度B=113～88 m（龙口宽度b=73～48 m）龙口平均流速5.42 m/s。第一区段：龙口围堰宽B=88～73 m（龙口宽度b=48～43 m），龙口平均流速6.11 m/s，落差3.3 m;第二区段：龙口宽围堰83～53 m（龙口宽度b=43～13 m），龙口平均流速5.76 m/s，落差3.9 m[6]。龙口抛投料物工程量见表5，龙口分区抛投料示意图见图1。

3.3 截流水情观测

3.3.1 水情预报

因导流明渠截流是在非天然河床流量下进行，若上游水电站受电网调节，河床流量最大可能达到3 225 m3/s，将远远大于正常径流的两倍以上，增加截流难度及风险，因此做好水情预报对明渠截流工程十分重要，影响和制约截流的成败。

3.3.2 水位观测

（1） 水尺布置。在截流河段内增设戗堤上、戗堤下、导流底孔上、导流底孔下、导流明渠中部、导流明渠出口共6个水位站。在戗堤上、戗堤下两侧边界以外适当位置，观测戗堤上、下水位落差;在导流底孔上口和导流底孔下口觀测水位，控制截流河段的总落差;在明渠中部及出口观测水位，水位监测站网布置如图2所示。

（2） 水位观测。采用激光全站仪观测水位。预进占及截流期间分别派专人观测水位，预进占每2 h观测一次;龙口合龙期间至少每1 h观测一次。

（3） 流速监测。导流明渠底板光滑、明渠流量大，断面狭窄，采用电波流速仪非接触式测速。监测位置设在左岸顺堤堤头上游接近龙口处。观测频次：非龙口段每2 h观测一次，龙口段每1 h观测一次，连续监测龙口口门区流速变化，并用浮标法进行流速验证。根据实测的流速，由技术人员分析截流抛投材料粒径，确定截流实施方案，并将分析得到的结果汇报到截流指挥中心，指导截流的实施。

（4） 龙口宽测量。为掌握截流工程施工进度，有效地服务截流工程施工预报、水文及水力学计算。采用激光全站仪无人立尺进行龙口水面宽（截流戗堤轴线两水边点间距）测量。观测频次：非龙口段每2 h观测一次，龙口段每1 h观测一次。

3.4 截流施工

导流明渠截流时，现场配备自卸汽车20台（25 t），挖机（PC400 1.8 m3）1台，挖机（CAT330 1.6 m3）1台，挖机（PC4002 m3）5台，推土机（TY320）1台，装载机（ZL50C 3.0 m3）1台。2019年11月25日00：00导流明渠截流正式进入最困难段。龙口宽度43.8 m，河床流量1 235 m3/s，导流明渠分流量673 m3/s，分流比54%，堤头流速6.5 m/s，落差2.97 m。

导流明渠分流较设计高，导流效果较设计差，导致龙口流速在河床没达到设计流量时，已接近设计计算值，此阶段进占十分困难。为减少冲刷流失过大，现场立即加大资源投入，采用凸出上挑角（约30°）施工，用特大块石（粒径与流速匹配）和混凝土预制块串从戗堤轴线上游侧利用汽车直接抛投进占，再将石渣集中倾倒在戗堤轴线中下游侧，受场地限制，截流仅能利用1台推土机、1台挖机同时向前推进，保证抛投足够的块石，各工序衔接流畅，戗堤进占稳步向前。

明渠截流整个过程持续时间长达98 h，龙口抛投量为13 526 m3，最大抛投强度为524 m3/h，龙口最大流速达8.4 m/s，远远大于设计流速，中间约12 h戗堤未有丝毫进占，现场立即采取备用措施，将大预制块作为固定点，将所有四面体预制块全部串联至大预制块上，保证预制块全部抛投至龙口处，同时不被高速水流冲走，最终顺利实现导流明渠截流。

4 结 语

截流设计流量为5 a一遇平均流量Q=1 470 m3/s，实际截流时，受上游水电站电网调节影响，河流最大流量为1 680 m3/s，龙口流速、落差均超设计计算值，截流难度大大增加。通过前期方案优化和截流准备，建立截流模型，收集相关截流参数，确定金沙水电站最经济、可靠的方案，降低截流风险。在截流实施过程中，实时进行水情监测，面对流失量大的情况，迅速采取相应措施，最终顺利实现导流明渠截流，对其他明渠截流施工起到指导性作用。

在经济效益方面，若采用原设计进行截流则需备料及抛投截流料物等共计10万m3。推荐最适宜的截流戗堤位置及截流方案，建立水情预报及监测系统，实时计算出抛投强度、抛投粒径等数据，直接指导现场施工，实际备料及抛投截流料物共计9万m3，投资节省100余万元，取得较好经济效益，值得推广应用。

参考文献：

[1] 贺昌海，胡志根，周宜红，等. 立堵截流方案风险度分析[J]. 中国工程科学，2002（4）：58-63，68.

[2] 胡志根，刘全，贺昌海，等. 水利水电工程施工初期导流标准多目标风险决策研究[J]. 中国工程科学，2001（8）：58-63.

[3] 长江三峡大江截流工程编委会. 长江三峡大江截流工程[M]. 北京：中国水利水电出版社，1999.

[4] 肖桃李，李新平，魏文俊. 水电站截流三维水流数学模型研究[J]. 武汉理工大学学报，2011，33（11）：88-92.

[5] 肖焕雄. 施工水力学[M]. 北京：水利电力出版社，1992.

[6] 张智涌，双学珍. 水利水电工程施工组织与管理[M]. 北京：中国水利水电出版社，2017.

（编辑：李 晗）

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