黃金坪水電站截流規(guī)劃設(shè)計(jì)

周德彥，程保根，張俊潔

（1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都 610072；2.中國水利水電科學(xué)研究院 國家水電可持續(xù)發(fā)展研究中心，北京 100038）

1. 工程概況及導(dǎo)流建筑物特性

黃金坪水電站處于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級(jí)”的第11級(jí)電站。黃金坪水電站是以發(fā)電為主的大（Ⅱ）型工程，無航運(yùn)、漂木、防洪、灌溉等綜合利用要求。黃金坪水電站樞紐建筑物由瀝青混凝土心墻堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、左岸泄洪洞、左岸溢洪道及右岸小廠房系統(tǒng)等建筑物組成。電站裝機(jī)850MW，正常蓄水位1476.00m，壩頂高程1481.50m，最大壩高95.5m。樞紐工程為二等大（2）型工程，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)。

根據(jù)水文特性、地形地質(zhì)條件和水工樞紐布置特點(diǎn)綜合比較分析，黃金坪水電站采用一次斷流圍堰擋水、導(dǎo)流洞及泄洪（放空）洞聯(lián)合泄流、主體工程全年施工的導(dǎo)流方式。根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件及工程布置特點(diǎn)，右岸布置一條導(dǎo)流洞，隧洞斷面尺寸15.0m×16.0m（寬×高）。泄洪（放空）洞布置在左岸，進(jìn)口高程1420.00m，平板檢修閘門孔口尺寸為12.0m×13.5m（寬×高），洞身按有壓接無壓的方式布置，有壓洞段總長370.38m，為圓形斷面，洞徑13.5m，有壓洞段后接一弧形工作閘門控制室，弧形閘門尺寸11.4m×10.0m（寬×高）。當(dāng)遭遇初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，導(dǎo)流洞及泄洪（放空）洞聯(lián)合泄流，上游圍堰堰前水位1444.32m，上游圍堰最大高度約為38.5m。

由于布置在左岸泄洪（放空）洞進(jìn)口高程較高，不參與工程截流。布置在右岸的導(dǎo)流洞是主河道截流后的唯一過水通道，將于2011年11月30日前實(shí)現(xiàn)分流。導(dǎo)流建筑物特性見表1。

2 截流時(shí)段的選擇

根據(jù)《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5397-2007）規(guī)定，截流標(biāo)準(zhǔn)可采用截流時(shí)段5～10年重現(xiàn)期的月或旬平均流量?？紤]到本工程規(guī)模較大，其提前發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著，而截流工程的成敗將直接影響發(fā)電工期，故截流標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇洪水重現(xiàn)期。

根據(jù)施工分期洪水，結(jié)合實(shí)測(cè)洪水資料分析，本工程河床截流安排在汛后枯水期進(jìn)行?？菟诟髟缕骄髁款l率分析成果見表2。汛后11月月平均流量最大，之后逐漸減小，2月最小。

截流時(shí)段的選擇應(yīng)兼顧截流難度和圍堰施工等因素。本工程截流時(shí)參與分流的只有導(dǎo)流洞，雖然導(dǎo)流洞進(jìn)口分流條件較好，但導(dǎo)流洞過水?dāng)嗝鎸挾容^小，只有15m。上游圍堰最大堆筑高度約38.5m，河床段防滲墻最大深度約60m，且圍堰施工須在一個(gè)枯水期內(nèi)完成，工期較緊。綜合分析截流條件及圍堰工期要求，按工程計(jì)劃安排，截流時(shí)段選擇在2011年12月上旬，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量463m3/s。不同截流時(shí)段截流水力學(xué)指標(biāo)見表3。

通過不同截流時(shí)段對(duì)應(yīng)流量指標(biāo)計(jì)算分析，12月上旬截流指標(biāo)較高，但當(dāng)前技術(shù)發(fā)展與機(jī)械設(shè)備等綜合考慮可以滿足成功截流，且在圍堰施工工期上能滿足整個(gè)工程計(jì)劃安排。

表1 導(dǎo)流建筑物特性表

3 截流設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程地形地質(zhì)條件、水文條件及導(dǎo)流洞泄流能力等因素，經(jīng)水力計(jì)算分析、截流物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，并參考國內(nèi)外大型工程截流的成功經(jīng)驗(yàn)，確定本工程采用立堵截流方式。

由于雙戧截流施工組織較復(fù)雜，截流工程量亦大于單戧截流。本工程截流河段上、下游圍堰相距約420.0m，在上游圍堰到壩軸線之間河段的河床坡降約為2.0%(下游圍堰處河床高1408.5m，壩軸線處河床底高程約為1402.50m)。如果選用雙戧立堵截流，由于河床比較陡，下戧堤龍口壅水不易使上龍口形成淹沒流，從而失去雙戧立堵的作用。結(jié)合黃金坪水電站截流的實(shí)際情況，進(jìn)行水力計(jì)算及截流模型試驗(yàn)驗(yàn)證，可以采用單戧立堵截流。

黃金坪水電站上游圍堰范圍內(nèi)原河床有約3.0m的坑存在（坑底高程為1407.0m），到上游圍堰的下游側(cè)時(shí)原河床高程增加為1411.4m。由于截流段河道右岸山體比較陡峭，不便設(shè)置碴料場(chǎng)，河道主流又位于右側(cè)，而左岸較為平緩開闊，便于截流材料的堆放和運(yùn)輸。故預(yù)進(jìn)占完成后，宜采用從左向右的單向進(jìn)占方式截流。

3.1 戧堤布置

1）設(shè)計(jì)原則

①滿足拋投強(qiáng)度，滿足設(shè)備運(yùn)行要求；

②確保戧堤的穩(wěn)定及抗水流沖刷；

③滿足合龍后堰前水位的安全超高。

2）高程確定

根據(jù)設(shè)計(jì)資料：12月上旬截流合龍時(shí)，戧堤前上游水位1420.14m（未考慮戧堤滲流），故龍口段戧堤頂高程擬定為1421.00m。戧堤預(yù)進(jìn)占段一次性填筑至EL1422.00m高程，完成截流后，全斷面填筑加高至防滲墻施工平臺(tái)設(shè)計(jì)高程EL1424.50m。

3）平面布置

本工程截流填筑料主要取至上游左岸2＃渣場(chǎng)的前期施工明挖渣料，左岸灘地可布置截流臨時(shí)道路至戧堤左岸，右岸預(yù)進(jìn)占填筑料可通過圍堰上游臨時(shí)橋至戧堤右岸，截流備料堆放在左岸上游戧堤下游較平坦灘地上。為降低道路運(yùn)輸強(qiáng)度和堤頭拋投強(qiáng)度，預(yù)進(jìn)占由左右岸分別進(jìn)占形成裹頭，考慮截流填筑料來源、交通便利條件以及拋投強(qiáng)度要求，龍口段從左向右單向進(jìn)占。

截流戧堤通常為圍堰堰體的一部分，單戧堤立堵截流戧堤一般布置在上游圍堰內(nèi)，以便圍堰閉氣后基坑抽水和上游圍堰的提前填筑。上游圍堰與大壩棄渣壓重體結(jié)合布置，而上游圍堰堰腳距導(dǎo)流洞進(jìn)口僅25m左右，故截流戧堤與上游圍堰結(jié)合布置。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，為保證上游圍堰施工工期，確保2012年汛前圍堰具備攔擋設(shè)計(jì)洪水能力，考慮與圍堰背水側(cè)的堆石排水棱體相結(jié)合和方便防滲墻的施工，戧堤軸線布置在上游圍堰軸線下游37.75m，高程1421.00m軸線長度約170m。

表2 枯水期各月平均流量頻率分析成果表（單位：m3/s）

表3 不同截流時(shí)段截流指標(biāo)比較表

圖1 截流戧堤平面布置圖

4）結(jié)構(gòu)布置

為確保截流時(shí)5輛20t自卸汽車同時(shí)卸車及1000m3/h的拋填強(qiáng)度，上游截流戧堤頂部寬度為25m，梯形斷面，迎水面、背水面坡度均為1：1.5，堤頭坡比為1：1.25。

3.2 龍口位置、寬度

龍口位置的選擇通常應(yīng)考慮下列因素：

1）龍口盡量選在河床覆蓋層較薄處或基巖裸露處，以免合龍過程中，河床覆蓋層沖刷，引起截流戧堤塌滑失穩(wěn)；龍口處河床不宜有順流向陡坡和深坑，如選在基巖面突變的河床，應(yīng)采取措施確保截流戧堤穩(wěn)定。

2）對(duì)無通航要求的河道截流，龍口選在淺槽處可減少合龍工程量。

3）綜合截流物料來源、堆存，運(yùn)輸?shù)葪l件以及龍口合龍爭(zhēng)取一向（一岸）或雙向（兩岸）進(jìn)占的方式，盡量使截流戧堤用料合理、施工強(qiáng)度均衡。龍口近岸處宜設(shè)截流基地堆放合龍拋投料并便于布置交通道路，以利于高強(qiáng)度拋投進(jìn)占。

黃金坪水電站壩址區(qū)河床覆蓋層較厚(最深處約140.0m)，且河床段分布較為均勻。綜合考慮戧堤處的地質(zhì)、地形條件、截流物料的來源、堆存、運(yùn)輸?shù)葪l件和預(yù)進(jìn)占難度，黃金坪水電站截流戧堤的龍口在河道右側(cè)。右岸采用石渣料進(jìn)占并用特大石或塊石串(鋼筋石籠)裹頭到戧堤長度15m，特大石或塊石串(鋼筋石籠)厚度不得少于5.0m；同時(shí)左岸用石渣料進(jìn)占到龍口寬度60.0m時(shí)預(yù)進(jìn)占結(jié)束。

3.3 截流水力計(jì)算

1）計(jì)算條件

①采用戧堤軸線實(shí)測(cè)斷面，龍口段河床底部高程平均為1410.0m高程；

②水位-流量關(guān)系曲線采用設(shè)計(jì)提供的壩軸線水位-流量曲線數(shù)據(jù)，見表4；

③計(jì)算流量Q=463m3/s，12月上旬10年一遇旬平均流量，確定龍口段戧堤頂高程為1421.00m。

2）計(jì)算內(nèi)容

求算導(dǎo)流洞上游水位（H上）與泄流量（Q d）關(guān)系曲線；

不同龍口寬度的上游水位（H上）與龍口泄流量（Q g）關(guān)系曲線。

①計(jì)算基本假定及原理

表4 壩軸線位置水位與流量關(guān)系

a. 不計(jì)戧堤滲流量及水庫調(diào)蓄對(duì)上游水位的影響；

b. 視龍口為梯形或三角形過水?dāng)嗝娴膶掜斞撸?/p>

c. 簡(jiǎn)化的寬頂堰理論：檻頂水面是平的，忽略波狀水面的影響；非淹沒流時(shí)檻上水深為臨界水深（hp=hk）；淹沒流時(shí)檻上水深取為下游水深（hp=hn）。

②計(jì)算公式及計(jì)算過程

a. 導(dǎo)流洞分流量計(jì)算公式（根據(jù)短洞與長洞的判定條件，屬于短洞）《水力計(jì)算手冊(cè)》（2006第二版）其中：b—導(dǎo)流洞過水?dāng)嗝鎸挾龋?5m；—淹沒系數(shù)，自由出流，取1；m—流量系數(shù)，進(jìn)口翼墻較平順，斷面收縮較少，取0.33。

c. 根據(jù)截流設(shè)計(jì)流量 相應(yīng)的下游水位，分別在此固定下游水深時(shí)，假定不同龍口寬度分別求出上游水位與龍口泄流量的關(guān)系曲線。

③不同龍口寬度水力特性計(jì)算

計(jì)算出 （初擬龍口寬度60m）的各項(xiàng)水力指標(biāo)：平均最大流速為4.72m/s，落差最大為6.85m，各項(xiàng)水力指標(biāo)如圖2。

3.4 截流材料選擇

圖2 龍口水力特性曲線圖(Q=463.0m3/s)

在截流合龍時(shí)，合理選用截流材料的尺寸和重量，是截流成敗的關(guān)鍵，截流材料的尺寸或重量取決于龍口流速。根據(jù)水力學(xué)計(jì)算指標(biāo)，參照相關(guān)工程截流施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，截流拋投分別選擇石渣料、中石、大塊石（石串）、鋼筋石籠。

1）龍口分區(qū)及拋投材料選擇

根據(jù)各工況下的水力計(jì)算指標(biāo)，龍口寬度擬定為60m。

并將戧堤作如下劃分：

①非龍口段(176m～82m)

進(jìn)占戧堤頂部控制高程1422m，頂寬25m，根據(jù)Q=463m3/s水力計(jì)算指標(biāo)，平均流速≤4.7m/s，最大平均流速4.7m/s。在預(yù)進(jìn)占過程中，石渣填筑高出水面1～1.5m即進(jìn)行分層碾壓加高，并滯后戧堤進(jìn)占向上游防滲墻平臺(tái)填筑加寬。

②龍口段（60m～0m）

預(yù)進(jìn)占區(qū)段內(nèi)河面束窄較少，流速較低，采用端部拋投石渣料進(jìn)占，接近龍口Ⅰ區(qū)時(shí)，流速增大，石渣料無法穩(wěn)定堤頭時(shí)，停止進(jìn)占，采用中石裹頭；

龍口Ⅰ區(qū)：龍口寬度60m～45m，龍口平均流速4.7～5.2m/s，最大落差2.01m；在左戧堤上挑角拋投中石，隨后用中石及時(shí)跟進(jìn)。

龍口Ⅱ區(qū)：龍口寬度45m～20m，龍口平均流速4.6～5.3m/s，最大落差5.64m；在左戧堤上挑角拋投特大石或塊石串，隨后及時(shí)用大石跟進(jìn)。

龍口Ⅲ區(qū)：龍口寬度20m～0m，龍口平均流速4.6～0m/s，最大落差6.85m。在左戧堤上挑角拋投特大石或塊石串，中后部大、中石跟進(jìn)，直至合龍。

2）截流備料量的確定

根據(jù)水力學(xué)計(jì)算指標(biāo)，Q=463m3/s工況下龍口備料總量為5.56萬m3，其中大石25900m3、中石23600m3，鋼筋石籠800個(gè)，石串200個(gè)。

3.5 截流施工布置

根據(jù)工程截流場(chǎng)地布置、交通條件、料場(chǎng)開采規(guī)劃，河左、右岸均具備修筑截流道路條件，右岸可利用原有省道S211公路拓寬、加固改造形成截流交通通道。分析截流進(jìn)占拋投強(qiáng)度、場(chǎng)地條件及交通運(yùn)輸要求，結(jié)合截流備料規(guī)模，截流備料場(chǎng)地布置在左岸上游圍堰下游側(cè)河灘平臺(tái)上。根據(jù)截流水力計(jì)算，并考慮截流過程拋投物料流失量來進(jìn)行截流備料量。

4 截流模型試驗(yàn)成果

鑒于本工程截流流量較大，又是單洞分流，為進(jìn)一步研究截流水力指標(biāo)，本階段進(jìn)行了施工截流動(dòng)床模型試驗(yàn)研究，以下為主要成果：

1）截流方案：采用從左向右的單向進(jìn)占立堵截流，龍口寬度60.0m。

2）戧堤形式：戧堤上、下游邊坡1∶1.5，頭部邊坡1∶1.3，戧堤堤頂寬度30.0m。

3）截流材料：宜選用石渣料、中石、大塊石和特大石作為主要截流拋投材料。

4）龍口水力學(xué)指標(biāo)：十二月上旬截流時(shí)(Q=463.0m3/s)，龍口最大單寬流量為17.06m3/s·m，最大單寬功率為76.78t·m/(s·m)，對(duì)應(yīng)龍口寬度均為30.0m；戧堤軸線處最大平均流速為5.53m/s，對(duì)應(yīng)龍口寬度為45.0m；戧堤合龍后的最終截流落差為6.50m。

5）龍口拋投量和儲(chǔ)備量：十二月上旬當(dāng)預(yù)留龍口寬度為60.0m時(shí)，合龍階段拋投料的備料量分量為：小石0.23萬m3、中石1.83萬m3、大石1.90萬m3、特大石或塊石串(鋼筋籠)為1.00萬m3。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)水力學(xué)計(jì)算成果及模型試驗(yàn)成果，推薦采用單戧堤單向進(jìn)占的立堵截流方案；龍口布置在左岸，龍口寬60m，戧堤頂寬25m，經(jīng)截流水力計(jì)算及截流模型試驗(yàn)研究，截流時(shí)間安排在汛后退水期的12月上旬，設(shè)計(jì)流量取10年一遇旬平均流量463m3/s?，F(xiàn)場(chǎng)需加強(qiáng)水情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，在不超過設(shè)計(jì)流量條件下，可科學(xué)選擇具體截流時(shí)間。為減小截流難度、降低截流戧堤頂高程，導(dǎo)流洞進(jìn)出口圍堰應(yīng)盡可能拆除到設(shè)計(jì)高程。

致謝：成都院何興勇教授級(jí)高工在文章的編寫過程中給予很多指導(dǎo)，在此表示感謝！

[1]中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 黃金坪水電站可研報(bào)告施工組織設(shè)計(jì)[R]. 2009.

[2]四川大學(xué). 黃金坪水電站截流模型試驗(yàn)報(bào)告[R]. 2011.

[3]水利電力部水利水電建設(shè)總局. 水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1997.

[4]顏宏亮, 于雪峰. 水利工程施工[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2009.

[5]DL/T5397—2007水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[6]高一軍. 錦屏一級(jí)水電站大江截流設(shè)計(jì)[J]. 湖北水力發(fā)電, 2008, (4): 39～41.