向家壩二期截流設(shè)計(jì)及施工

史殿華,田宜龍,袁 金

(葛洲壩集團(tuán) 市場(chǎng)開發(fā)部,湖北 宜昌 443002)

1 概 述

向家壩水電站是金沙江下游河段規(guī)劃的最末一個(gè)梯級(jí),位于四川省與云南省交界處的金沙江下游河段,工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,同時(shí)改善航運(yùn)條件,兼顧防洪、灌溉,并具有攔沙和對(duì)溪洛渡水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)等綜合作用。本工程為一等大(1)型工程,工程樞紐建筑物主要由混凝土重力擋水壩、左岸壩后廠房、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)及左岸河中垂直升船機(jī)等組成。本工程采用分期導(dǎo)流方式,一期先圍左岸,由右側(cè)束窄后的主河床泄流,二期圍右岸,由左岸非溢流壩段和沖沙孔壩段內(nèi)留設(shè)的6個(gè)導(dǎo)流底孔及高程280 m、寬115 m的缺口聯(lián)合泄流,其中二期截流期間利用6個(gè)導(dǎo)流底孔泄流。

向家壩二期截流(大江截流)與溪洛渡相比,龍口水力學(xué)指標(biāo)雖然相對(duì)較低,但考慮到河床狀況、分流條件及進(jìn)占道路等綜合因素,向家壩截流綜合難度不亞于溪洛渡。

2 截流特點(diǎn)及難點(diǎn)

1)河床覆蓋層深厚,抗沖刷能力差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探情況,原始河床覆蓋層深厚,最深達(dá)61 m,自上而下依次為砂卵礫石層、砂層、含崩(塊)石的砂卵礫石層。在戧堤進(jìn)占過(guò)程中覆蓋層容易沖刷,造成戧堤拋投量增加、截流水深加大及堤頭塌滑等不利影響。

2)龍口拋投強(qiáng)度高。導(dǎo)流底孔分流后左側(cè)成為孤島,截流備料場(chǎng)布置較為困難,設(shè)備投入也受到限制。為確保合龍拋投強(qiáng)度,擬采取左右岸雙向進(jìn)占,以右岸進(jìn)占為主,左岸進(jìn)占為輔。

3 截流計(jì)算

3.1 導(dǎo)流底孔分流能力計(jì)算

導(dǎo)流底孔共6孔,左4孔孔身段長(zhǎng)133.0 m,右2孔孔身段長(zhǎng)200.95 m,底孔采用城門洞型,孔身尺寸10 m×14 m(寬×高),頂拱中心角120°,過(guò)水?dāng)嗝婷娣e130.6 m2,底孔前引水渠、底孔孔身及底孔后泄水渠底部高程均為260.0 m。計(jì)算導(dǎo)流底孔泄流能力時(shí),由于設(shè)計(jì)流量已知,下游水位不變,可分別假定底孔分流量,然后根據(jù)已知流量求相應(yīng)上游水位的方法計(jì)算。

根據(jù)底孔水流的流態(tài),分別按無(wú)壓流、半有壓流和有壓流進(jìn)行泄流能力計(jì)算。水流流態(tài)主要取決于導(dǎo)流底孔上下游水位,其孔內(nèi)水流流態(tài)可由上游臨界壅高比進(jìn)行判別。截流時(shí)下游水位較低,為自由出流,底孔水流可按無(wú)壓流考慮。對(duì)于平底坡,長(zhǎng)短洞的界限長(zhǎng)度為lk=(5～12)H,式中 H為上游水深,截流時(shí)底孔按長(zhǎng)洞考慮。自由出流條件下緩坡長(zhǎng)管的泄流量按淹沒(méi)寬頂堰公式計(jì)算。

3.2 非龍口段水力學(xué)計(jì)算

非龍口段水力學(xué)計(jì)算的目的是根據(jù)水力學(xué)指標(biāo)確定龍口寬度及非龍口進(jìn)占過(guò)程中拋投料的規(guī)格和數(shù)量。左岸非龍口段安排在11月中下旬預(yù)進(jìn)占,堤頂高程的設(shè)計(jì)流量為11月中旬10%旬平均流量Q=4290 m3/s,此時(shí)不考慮底孔分流;右岸非龍口段從12月上旬開始進(jìn)占,采用12月上旬10%旬平均流量3000 m3/s,此時(shí)底孔參與分流。

按束窄河床水力計(jì)算公式計(jì)算不同束窄口門的水力學(xué)指標(biāo),計(jì)算公式如下:非淹沒(méi)流:

淹沒(méi)流:

式中φ為流速系數(shù),取0.82;m為流量系數(shù),取0.32;bcp為口門平均水面寬度;H0為計(jì)及行進(jìn)流速水頭的上游水深;hn為龍口下游水深。

預(yù)留龍口的合理寬度以進(jìn)占材料不流失及覆蓋層不被沖刷為原則,另外需盡量減少龍口拋投工程量,降低施工強(qiáng)度,縮短合龍歷時(shí)。根據(jù)計(jì)算,戧堤進(jìn)占至口門寬80 m時(shí),斷面平均流速約2.58 m/s。河床底部流速較斷面平均流速小,且低于河床覆蓋層抗沖流速,堤頭邊坡穩(wěn)定性較好,因此預(yù)留龍口寬度按80 m考慮。

3.3 龍口水力學(xué)計(jì)算

龍口段水力計(jì)算的目的是計(jì)算龍口合攏過(guò)程中不同束窄口門寬度時(shí)的水力學(xué)指標(biāo),如口門泄流量、束窄口門流速、落差、上游水位、單寬流量、單寬能量等,據(jù)此計(jì)算不同施工區(qū)段拋投材料的粒徑及數(shù)量,確定戧堤進(jìn)占方案。

龍口段進(jìn)占安排在12月中旬進(jìn)行,設(shè)計(jì)流量采用12月中旬10年一遇旬平均流量Q=2600 m3/s。龍口段進(jìn)占視截流戧堤束窄口門為梯形或三角形斷面的寬頂堰,其泄水能力按下列公式計(jì)算:

非淹沒(méi)流:

淹沒(méi)流:

式中σn為淹沒(méi)系數(shù),其值與淹沒(méi)界限有關(guān):當(dāng)龍口呈梯形過(guò)水?dāng)嗝鏁r(shí),hn/H≥0.7時(shí)為淹沒(méi)流,σn查巴甫洛夫淹沒(méi)系數(shù)表;當(dāng)龍口呈三角形過(guò)水?dāng)嗝鏁r(shí),hn/H≥0.8時(shí)為淹沒(méi)流,σn查別列津斯基淹沒(méi)系數(shù)表;m為流量系數(shù),考慮口門束窄的影響,取0.31。

龍口段不同寬度束窄口門水力學(xué)指標(biāo)計(jì)算如下:

龍口平均單寬流量:

式中hp為龍口水深;Hu為龍口上游水位;Hd為龍口下游水位;其余符號(hào)意義同前。

立堵截流拋投體重量的計(jì)算,近似按平堵試驗(yàn)提出的伊茲巴什公式計(jì)算:

拋頭體粒徑:

式中D為截流塊石折算成圓球體的直徑(m);Vmax為作用于塊石的流速(m/s),計(jì)算取縮窄口門軸線斷面平均流速;γm為拋頭體容重,塊石取 26 kN/m3;γw為水的容重,取 10 kN/m3;K 為綜合穩(wěn)定系數(shù),與塊體形狀、重量及拋投時(shí)的邊界條件等因素有關(guān)系,一般動(dòng)水拋投可取0.9,裹頭防沖可取1.02。

龍口水力學(xué)計(jì)算過(guò)程中,下游水位取設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的水位,經(jīng)過(guò)反復(fù)試算龍口上游水位使口門泄流量和導(dǎo)流底孔分流量之和等于截流流量為止。據(jù)此計(jì)算戧堤龍口段進(jìn)占水力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 戧堤龍口段進(jìn)占程序及水力指標(biāo)特性表Table1 Procedure and hydraulic parameters for advancement at the closure gap section of the dike

4 截流設(shè)計(jì)

4.1 龍口位置

根據(jù)實(shí)測(cè)水下地形資料,河床底部較平坦。河床覆蓋層主要為砂卵石夾砂和砂層,局部夾有崩石、塊石。

上游圍堰混凝土防滲墻左側(cè)較深,且根據(jù)一期土石圍堰及類似工程施工情況,該地層防滲墻施工難度較大,是制約圍堰施工的關(guān)鍵項(xiàng)目。為確保防滲墻及圍堰工期,左側(cè)宜多進(jìn)占,以便盡快進(jìn)行防滲墻深槽部位施工。

由于戧堤合龍主要從右岸進(jìn)占,右側(cè)多進(jìn)占可形成較大的截流施工場(chǎng)地,方便堤頭車輛布置,且右側(cè)河床底部高程略低,右側(cè)多進(jìn)占對(duì)降低截流施工難度也較為有利。

龍口位置擬設(shè)置于河床中間部位。2008年11月中旬提前開始左岸預(yù)進(jìn)占,12月上旬左岸6個(gè)導(dǎo)流底孔具備分流條件后,再進(jìn)行右岸預(yù)進(jìn)占。預(yù)進(jìn)占主要采用石渣料拋投,右側(cè)采用壩肩及地下廠房開挖料,左側(cè)充分利用一期縱向土石圍堰拆除料。

經(jīng)綜合分析比較,左岸進(jìn)占53 m,可基本覆蓋防滲墻深槽部位和含崩(塊)石的砂卵礫石層,右岸進(jìn)占60 m,形成約80 m寬的龍口。

4.2 龍口護(hù)底

戧堤處河床覆蓋層較深,抗沖流速較小。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大江大河截流工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)先對(duì)河床進(jìn)行平拋?zhàn)o(hù)底可防止覆蓋層沖刷,同時(shí)加糙河床,改善截流拋投材料的穩(wěn)定條件,減少流失,是確保立堵截流成功的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),護(hù)底長(zhǎng)度在龍口下游約為最大水深的3～4倍,上游護(hù)底長(zhǎng)度約為水深的2倍,根據(jù)水力學(xué)計(jì)算,龍口最大水深約為16 m,結(jié)合戧堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),護(hù)底范圍取下游為50～70 m,上游取30～40 m。護(hù)底材料按龍口分區(qū)分別進(jìn)行計(jì)算,與各分區(qū)材料一致,主要采用粒徑0.4～0.7 m的中石。

護(hù)底拋石層最小厚度要避免出現(xiàn)空缺,護(hù)底厚度按1.0～1.5 m考慮。

4.3 截流戧堤設(shè)計(jì)

為減小二期橫向圍堰工程量,截流戧堤與上游土石圍堰填筑體相結(jié)合,戧堤設(shè)置以不影響圍堰混凝土防滲墻施工為原則,布置于圍堰的背水側(cè),戧堤軸線與圍堰軸線平行,兩者相距約40 m。

戧堤頂高程要保證整個(gè)戧堤進(jìn)占過(guò)程中不受洪水的漫溢,堤頂高程按不同進(jìn)占時(shí)段的設(shè)計(jì)水位加超高確定。左岸非龍口段安排在11月中下旬預(yù)進(jìn)占,堤頂高程的設(shè)計(jì)流量采用11月中旬10%旬平均流量Q=4290 m3/s,此時(shí)不考慮底孔分流,據(jù)此計(jì)算左岸戧堤進(jìn)占53 m后上游水位約271.5 m,龍口斷面平均流速約3.0 m/s;右岸非龍口段安排在12月上旬預(yù)進(jìn)占,堤頂高程的設(shè)計(jì)流量為12月上旬10%旬平均流量Q=3000 m3/s,此時(shí)底孔參與分流,據(jù)此計(jì)算右戧堤進(jìn)占60 m后上游水位約為269.5 m,龍口斷面平均流速約2.58 m/s。

合龍時(shí)戧堤上游水位約為270.4 m,綜合考慮底孔泄流能力影響及安全超高,取截流戧堤頂高程為273 m。戧堤軸線長(zhǎng)約193 m,設(shè)計(jì)頂寬25 m。

4.4 龍口分區(qū)

為便于施工時(shí)控制拋投材料,根據(jù)進(jìn)占過(guò)程中龍口水力學(xué)指標(biāo)的變化(表1),將龍口分成3個(gè)施工區(qū)段。截流戧堤進(jìn)占分區(qū)特性見表2。

表2 截流戧堤進(jìn)占分區(qū)特性表Table2 Characteristics of dike advancement of different zones

5 截流施工方案

5.1 截流材料選擇及拋投物數(shù)量確定

拋投材料種類根據(jù)水力學(xué)計(jì)算指標(biāo)確定,拋投材料數(shù)量的確定,非龍口段拋投考慮1.1的流失系數(shù),龍口段拋投考慮1.2的流失系數(shù),同時(shí)考慮1.0 m厚的平拋?zhàn)o(hù)底。截流戧堤所需拋投物料數(shù)量見表3。

表3 截流戧堤所需拋投物料數(shù)量表Table3 Dumped materials for closure dike

二期截流主要考慮兩處備料場(chǎng),分別為右岸下游尾水渠備料場(chǎng)及左岸備料場(chǎng),其中尾水渠備料場(chǎng)為主備料場(chǎng),為滿足大江截流需要,截流備料至2008年10月底前全部完成。

5.2 拋投施工

5.2.1 戧堤堤頭車輛行駛線路布置

為滿足拋投強(qiáng)度要求,在單戧堤堤頭布置4個(gè)卸料點(diǎn),根據(jù)不同部位填料的要求,采用不同的編隊(duì)方式?？可嫌蝹?cè)主要拋特大石(鋼筋石籠)、大石,中間及靠下游側(cè)拋填中小石、石渣。堤頭線路布置共分為3個(gè)區(qū):拋投區(qū)、編隊(duì)區(qū)和回車區(qū),確保截流施工緊張有序。堤頭布置見圖1。

不同材料車隊(duì)分別配以不同顏色、數(shù)碼標(biāo)志,堤頭指揮人員以相應(yīng)顏色的旗幟分區(qū)段按要求指揮編隊(duì)和卸料。為確保堤頭車輛安全,汽車輪緣距戧堤邊緣≥2.5 m,并安排專人布置標(biāo)識(shí)。

5.2.2 堤頭拋投方式

主要采用全斷面推進(jìn)和凸出上挑角兩種進(jìn)占方式。

圖1 截流戧堤堤頭進(jìn)占示意圖Fig.1 Schematic view of dike-head advancement

Ⅰ區(qū)主要采用中石及石渣全斷面進(jìn)占,靠近束窄口門堤頭處采用大塊石拋投在迎水側(cè)抗沖;Ⅱ區(qū)為合攏最困難的區(qū)段,采用凸出上游挑角的進(jìn)占方法,將水流自堤頭前上游角挑出一部分,從而使堤頭下側(cè)形成回流緩流區(qū),再拋投中小石及石渣料進(jìn)占;Ⅲ區(qū)水深逐漸變淺,有利于戧堤的穩(wěn)定,為減少?zèng)_刷流失,繼續(xù)采用凸出上挑角施工,用大塊石從戧堤軸線上游側(cè)進(jìn)占,再將中小石及石渣拋填在戧堤軸線下游側(cè)。

龍口段大石不能滿足拋投穩(wěn)定要求時(shí),采用鋼筋石籠代替,利用16 t吊車直接吊至自卸汽車上,運(yùn)輸至堤頭卸料,再用大型推土機(jī)推至堤頭前沿。

為防止深水拋投時(shí)堤頭邊坡失穩(wěn),根據(jù)我公司在三峽大江截流的成功經(jīng)驗(yàn),擬采取防護(hù)性進(jìn)占(包括堤頭挑流和堰體尾隨拋投、高強(qiáng)度進(jìn)占拋投、變換堤頭拋填方法拋投等)、誘導(dǎo)坍塌如卸料沖砸等綜合措施。

5.3 施工強(qiáng)度分析

截流戧堤非龍口段長(zhǎng)113 m,總填筑量71588 m3,平均日拋填強(qiáng)度4773 m3/d。龍口寬度80 m,總拋投量56000 m3,按30 h合龍?jiān)O(shè)計(jì),平均拋投強(qiáng)度1867 m3/h,最大拋投強(qiáng)度2053 m3/h(施工強(qiáng)度不均勻系數(shù)按1.1計(jì))。

截流戧堤頂寬25 m,可同時(shí)安排3～4個(gè)卸車點(diǎn),根據(jù)我公司在三峽及瀑布溝等工程截流的施工經(jīng)驗(yàn),單車卸料循環(huán)時(shí)間平均按2 min,堤頭集料時(shí),汽車卸料和推土機(jī)趕料的循環(huán)時(shí)間按4 h,龍口段拋投按堤頭集料、推土機(jī)趕料占1/3時(shí)間,汽車直接拋填占2/3時(shí)間。則一個(gè)卸車點(diǎn)實(shí)際能達(dá)到的卸車密度為27輛/h,則戧堤單堤頭卸車密度可達(dá)到80～110輛/h,20 t汽車按10 m3,32 t汽車按15 m3,45 t汽車按20 m3考慮,則戧堤單堤頭拋投強(qiáng)度可達(dá)到1200～1500 m3,戧堤雙向進(jìn)占時(shí),拋投強(qiáng)度達(dá)到2000～2500m3。從拋填強(qiáng)度來(lái)講能夠滿足河床截流要求。

6 實(shí)施情況

向家壩水電站二期截流戧堤預(yù)進(jìn)占于2008年12月1日正式開始,至12月20日形成約80 m寬龍口。由于河床經(jīng)多年汛期沖刷而板結(jié)粗化,河床覆蓋層未進(jìn)行護(hù)底。龍口進(jìn)占于12月21日上午9時(shí)正式開始,至22日上午9時(shí),共持續(xù)24 h,形成10 m寬合龍龍口,度過(guò)截流最困難區(qū)段。進(jìn)占期間最大流量2350 m3/s,最大流速6.1 m/s,最大水位落差2.34 m,最大單寬功率74.48 t?m/s?m。2008年12月28日上午10時(shí)58分合龍進(jìn)占正式開始,經(jīng)過(guò)28 min的奮戰(zhàn),至11時(shí)26分勝利完成截流。

7 結(jié) 語(yǔ)

向家壩二期截流由于河床覆蓋層深厚、左岸進(jìn)占條件差,綜合難度較大。本文通過(guò)截流水力學(xué)計(jì)算合理確定戧堤進(jìn)占分區(qū)及拋投材料種類和數(shù)量,借鑒我公司在葛洲壩、三峽等工程截流施工經(jīng)驗(yàn),采取合理的堤頭進(jìn)占方式,保證了戧堤進(jìn)占的順利進(jìn)行,取得了向家壩水電站二期截流決定性的勝利,可作為類似工程截流設(shè)計(jì)及施工的有益參考。

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