泥沙控制和疏浚技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用

童光海

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級(jí)電站。其上游緊接錦屏一級(jí)水電站，下游依次為官地、二灘和桐子林水電站。

錦屏二級(jí)水電站利用雅礱江下游河段150 km 長大河彎的天然落差，通過長約16.67 km 的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310 m。電站總裝機(jī)容量4800 MW，單機(jī)容量600 MW。工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。首部攔河閘壩位于雅礱江錦屏大河彎西端的貓貓灘，電站進(jìn)水口位于閘址上游2.9 km 處的景峰臨時(shí)橋，地下發(fā)電廠房位于雅礱江錦屏大河彎東端的大水溝，四條引水隧洞穿過錦屏山連接閘壩與廠區(qū)樞紐。

電站進(jìn)水口位于雅礱江大河彎西端景峰臨時(shí)橋下游550～730 m 的右側(cè)凹岸，為獨(dú)立岸式進(jìn)水口。攔污柵布置在地面岸塔式攔污柵墩內(nèi)，進(jìn)水口事故閘門采用地下洞內(nèi)豎井式布置。攔污柵布置在連續(xù)通長的攔污柵墩內(nèi)，攔污柵底檻高程為1618 m，檢修平臺(tái)高程為1659 m，各攔污柵墩之間在死水位高程1640 m 以上采用胸墻連接，墩后為通倉流道接引水隧洞進(jìn)口喇叭段，總長44.5 m，4個(gè)進(jìn)水口中心軸線間距36 m(圖1、2)。

圖1 錦屏二級(jí)水電站進(jìn)水口平面示意圖

2 立項(xiàng)研究的背景

2010年二汛時(shí)，雅礱江錦屏二級(jí)水電站進(jìn)水口段最高水位高程約1646.8 m，圍堰堰頂高程約1641 m，基坑總儲(chǔ)水方量約25萬m3，攔污柵基坑懸移質(zhì)泥沙沉積約5.4萬m3，其中上游端外側(cè)淤沙最大高度約18 m，下游端內(nèi)側(cè)淤沙高度約4 m，基坑從上游端外側(cè)至下游端內(nèi)側(cè)整體呈斜面淤積。三枯抽水清淤時(shí)，由于攔污柵主要建筑物還未開始澆筑，施工場地較開闊，圍堰內(nèi)基坑抽水清淤總耗時(shí)約33 d，清淤主要采用大批量大型挖裝設(shè)備提閘后直接進(jìn)入基坑清淤。

圖2 錦屏二級(jí)水電站進(jìn)水口縱剖面示意圖

2011年三汛時(shí)，雅礱江錦屏二級(jí)水電站進(jìn)水口段最高水位高程約1648.6 m，圍堰堰頂高程約1641.7 m，基坑總儲(chǔ)水方量約24萬m3，攔污柵基坑懸移質(zhì)泥沙沉積約4.4萬m3，其中外側(cè)端淤沙最大高度約9 m，內(nèi)側(cè)端淤沙高度約4 m，基坑從外側(cè)端至內(nèi)側(cè)端整體呈斜面淤積。四枯抽水清淤時(shí)，由于攔污柵主要建筑物已經(jīng)形成，施工場地受柵墩影響較狹窄(柵墩間凈空6.5 m)，圍堰內(nèi)基坑抽水清淤耗時(shí)約42 d，清淤主要采用多臺(tái)抽沙泵抽沙和小型挖裝設(shè)備提閘后直接進(jìn)入基坑清淤。但所使用的抽沙泵受吸程影響，抽沙效果不佳;小型挖裝設(shè)備進(jìn)入基坑后，由于淤積層富水，場地狹窄，淤沙開挖進(jìn)展緩慢。

錦屏二級(jí)水電站進(jìn)水口相關(guān)主要建筑物在2012年4月底已全部完成。按照設(shè)計(jì)方提供的《1#引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗(yàn)計(jì)劃安排報(bào)告》的倒排工期要求，進(jìn)入基坑內(nèi)抽水清淤的時(shí)間不能遲于2012年10月15日，抽水清淤計(jì)劃歷時(shí)15 d。與二汛和三汛同期比較，若不采取相應(yīng)措施，由于攔沙坎設(shè)計(jì)高程為1635 m，進(jìn)入攔污柵基坑內(nèi)的懸移質(zhì)泥沙沉積將大大超出5.4萬m3，此時(shí)正處于汛后江水過渡期，仍存在水下清淤的風(fēng)險(xiǎn);且干地進(jìn)入基坑清淤的計(jì)劃工期不能滿足充排水試驗(yàn)要求。

為此，研究如何限制泥沙進(jìn)入攔污柵后和閘前引水隧洞空間，以減少懸移質(zhì)泥沙進(jìn)入進(jìn)水口基坑總量，如何有效地在汛期進(jìn)行泥沙清理是確保業(yè)主2012年年度發(fā)電目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵;同時(shí)，亦將為國內(nèi)類似工程泥沙的控制和處理施工提供參考。

3 采取的方法和措施

(1)擋沙方案和措施。

利用攔污柵16扇工作柵布置擋沙濾水設(shè)施。其中，攔污柵柵葉格柵凈孔尺寸為700 mm×150 mm，胸墻下高度為22 m。考慮到汛期的泥沙運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，為防止土工布意外被破壞后進(jìn)入基坑，胸墻下22 m 利用工作柵肋板設(shè)置攔淤手段。

擋沙濾水設(shè)施布置:下部9 m 依托攔污柵柵葉固定3 mm 厚鋼板擋沙，上部13 m 依托攔污柵柵葉固定土工布及土工格柵濾水阻沙。

在汛前對攔污柵基坑反充水時(shí)，利用柵頂啟閉門機(jī)先放下1扇備用柵，提起對應(yīng)的工作柵，以滿足內(nèi)外水壓平衡;充水結(jié)束后，再放下提起的工作柵擋沙，最后提起備用柵。清淤結(jié)束后，反順序逐柵吊起工作柵，拆除擋沙設(shè)施。

(2)清淤方案和措施。

采用組裝式SJS180氣力泵疏浚船進(jìn)入攔污柵柵前基坑清淤。江蘇產(chǎn)氣力泵SJS180型船舶尺寸為22.5 m×5 m×1.2×0.7 m(型長×型寬×型深×吃水)，其最大疏浚深度為40 m，最佳作業(yè)水深為25 m 以內(nèi)，生產(chǎn)能力為180 m3/h，額定排料距離為500 m，非常適合細(xì)沙、淤泥等淤積物的疏浚作業(yè)。

設(shè)備進(jìn)場后，臨時(shí)存放在攔污柵閘墩平臺(tái)上，采用吊車將浮箱逐個(gè)吊放到水面并完成拼裝，然后依次安裝其他設(shè)備并固定。撤場時(shí)，順序相反。

所有設(shè)備全部安裝在浮箱拼裝而成的工程船上，工程船的移位通過分別設(shè)置在擋沙坎、上游側(cè)導(dǎo)水墻、下游側(cè)導(dǎo)水墻上的地錨完成。

排泥管為尼龍管，接近泵體處采用膠管，管徑DN180 mm，用浮體固定漂浮在水面，也可在岸邊布置地壟用鋼絲繩拴牢，避免水流沖擊失穩(wěn)，隨作業(yè)點(diǎn)的變動(dòng)及時(shí)調(diào)整長度，排泥口設(shè)于下游側(cè)導(dǎo)水墻的下游50 m 外，避免泥沙回流，具體根據(jù)水流情況確定。

疏浚清淤采用自上游而下游的作業(yè)方向，將清淤區(qū)域劃分成若干條帶，采用拖挖方式進(jìn)占作業(yè)。對于任一條帶，一般按自深而淺的順序進(jìn)行清淤。對于無法進(jìn)入的死角，通過設(shè)置高壓射水槍對死角淤積物進(jìn)行擾動(dòng)以達(dá)到最大可能的清除目的。

清淤后的效果檢查:主要采用比較直觀的潛水員持水下攝錄設(shè)備水下攝像和側(cè)掃聲納對水底進(jìn)行掃描獲取圖像兩種方法進(jìn)行定性和定量分析。

4 取得的成果

(1)擋沙設(shè)施的布置。

2012年進(jìn)入主汛期后，受雅礱江上游來水影響，進(jìn)水口段水位持續(xù)走高。

2012年7月30～31日浚前測量:攔污柵前上游段泥層均厚10.11 m;中段泥層均厚6.09 m;下游段泥層均厚2.57 m。測量攔污柵柵后泥層均厚3 m 左右，其中上游段約2.4 m，下游段約4 m。

從測量數(shù)據(jù)看，攔污柵柵前泥沙為上游高、下游低，而柵后為上游低、下游高，且對應(yīng)段泥沙泥面高差最大達(dá)8 m(上游段)，說明布置擋沙設(shè)施后效果明顯，柵前、柵后淤積走勢符合水流回流趨勢。

(2)柵前清淤。

清淤作業(yè)區(qū)域共分17段，從上游至下游依次為上游斜坡段及攔污柵墩間16個(gè)孔段。清淤作業(yè)時(shí)先是船頭朝上游方向，從第12孔段開始清淤至上游斜坡段，隨后船體掉頭，依次清理下游剩余4個(gè)孔段。2012年8月11～13日浚后測量結(jié)果為:泥面平均標(biāo)高為1618.52 m，即泥層均厚0.52 m。

根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算，第一次清淤前總淤積量為13555.93 m3，清淤后淤積量為1276.45 m3，實(shí)際完成清淤12279.5 m3。清淤累計(jì)用時(shí)182.25 h，平均生產(chǎn)能力為67.4 m3/h;扣除輔助作業(yè)及移點(diǎn)時(shí)間，清淤機(jī)生產(chǎn)能力為151.9 m3/h。

(3)柵后清淤。

進(jìn)入攔污柵柵后部位水面周邊無通道，施工從攔污柵柵頂備用柵槽吊入自制浮體，安裝SSYA200型清淤機(jī)，排泥管引接至攔污柵平臺(tái)，通過柵頂排水溝排放。

攔污柵柵后布置有縱橫支撐梁、隔墻等混凝土結(jié)構(gòu)，布置高程分別為1640.7 m、1645.9 m 和1651.8 m，浮體進(jìn)入柵后受水位影響始終不能全面正常實(shí)施清淤，僅間斷進(jìn)行橫撐梁前柵墩之間局部范圍的清淤施工，且工效低下。

清淤施工過程中，根據(jù)浚前、浚后柵后測量數(shù)據(jù)計(jì)算，采用SSYA200(計(jì)算生產(chǎn)能力為15 m3/h)清淤機(jī)組的生產(chǎn)能力分別為6.55 m3/h、8.83 m3/h 及7.53 m3/h，平均每小時(shí)生產(chǎn)能力為7.64 m3/h。

由于清淤時(shí)間問題，最終1#～2#洞洞前清淤完成(回淤后約1 m 泥厚)，3#～4#洞洞前剩余泥厚約3 m 未能完成。共完成泥沙水下清淤4800 m3，剩余泥沙方量約5000 m3實(shí)施了干地清淤。

(4)清淤成效。

對上述成果進(jìn)行分析后認(rèn)為:采用該種水下清淤方法，在最終清淤后再次對水下進(jìn)行一次重復(fù)清理，能夠具備達(dá)到30 cm 殘留的能力。

5 存在的問題

5.1 擋沙土工材料

(1)土工布的選型。

通過測量計(jì)算，攔污柵柵前淤積量約13556 m3，柵后淤積量約6500 m3，滲透率達(dá)48%。經(jīng)分析，主要原因?yàn)樵O(shè)計(jì)給出的土工布網(wǎng)孔等效孔徑指標(biāo)為0.3 mm，按泥沙顆粒級(jí)配參數(shù)分析，理論上可以有90%左右的泥沙通過土工布滲透至柵后。同理，若定制采用等效孔徑為0.07 mm 的土工布，理論上可以有50%左右的泥沙通過土工布滲透至柵后;按照實(shí)測數(shù)據(jù)推算，實(shí)際滲透至柵后的泥沙不會(huì)超過30%。

(2)擋沙鋼板布置高度。

在布置方案中，攔污柵擋沙采用“9 m 高鋼板+13 m 高土工格柵”布置，汛期首次擋沙即出現(xiàn)上游段超過9 m 限高情況;而在“8.30群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害”后，泥面突然性再次加高至17 m，使得鋼板上部土工材料受損，柵前、柵后泥沙串通。若根據(jù)既往泥沙淤積情況有針對性的加高擋沙鋼板的布置高度，可以有效地增加擋沙、擋渣的效果，且具有抵御突發(fā)性狀況的能力。

5.2 水下清淤

對于攔污柵柵前水下清淤，采用組裝式SJS180氣力泵疏浚船進(jìn)入攔污柵柵前基坑清淤效果十分顯著，但在泥沙較厚部位中下部存在一層板結(jié)層(俗稱“鐵板沙層”)。其清理須在泵頭輔助采用高壓水槍進(jìn)行擾動(dòng)后方可正常清淤。

對于攔污柵內(nèi)建筑物較狹小的空間(如攔污柵柵后)，采用改進(jìn)型SSYA200清淤機(jī)組進(jìn)行清淤可以實(shí)施，但工效較低。

對于引水隧洞進(jìn)口段建筑物內(nèi)的清淤，雖然做出了一定的嘗試，但從測試階段的成果分析，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

采用擋沙設(shè)施阻沙和氣力泵水下清淤技術(shù)，對于內(nèi)河水電站泥沙控制是適用的、可行的。

(1)對于錦屏二級(jí)水電站進(jìn)水口采用的類似攔污柵結(jié)構(gòu)，采取擋沙設(shè)施應(yīng)盡量使用鋼板滿鋪，以避免突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害影響。若受其它條件限制，仍需采用土工格柵結(jié)構(gòu)時(shí)，則須根據(jù)泥沙的顆粒級(jí)配分析資料，確定土工材料的相關(guān)參數(shù)，并采取合理的加固措施。

(2)對于水電工程取水建筑物基坑施工期泥沙的清理，采用組裝式SJS180氣力泵疏浚船水下清淤是適用的、可行的。但仍須采用相應(yīng)的輔助措施，盡最大努力避免泥沙大量進(jìn)入建筑物內(nèi)部，以減小后期清理的難度。

(3)水電工程施工期泥沙水下清淤采用組裝式疏浚船結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免采用“一字型”船體，建議組裝為“L 型”或“T 型”或類似結(jié)構(gòu)。雖然在使用過程中船舶移動(dòng)阻力較大，但仍可與清淤工況匹配，且具有較強(qiáng)抵御意外傾覆的能力。