梳齒截流技術(shù)在安谷水電站二期截流施工中的運(yùn)用

王升德，孔云洲

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

梳齒截流技術(shù)在安谷水電站二期截流施工中的運(yùn)用

王升德，孔云洲

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

安谷水電站二期截流河床砂卵石覆蓋層深，厚度達(dá)12m，護(hù)沖流速低，截流過程中，泄洪沖砂閘作為分流通道，高于河床面約5m。若要實(shí)現(xiàn)泄洪沖砂閘分流條件時(shí)，使得截流落差達(dá)到8m以上。采用雙戧單向立堵法施工時(shí)，圍堰填筑拋投量大、強(qiáng)度高，截流施工組織難度大。通過對水流條件及截流技術(shù)研究，采用梳齒截流施工技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)二期截流。

梳齒截流技術(shù) 井字格剛性護(hù)底 安谷水電站 截流施工

1 概述

安谷水電站二期截流，河床砂卵石為強(qiáng)透水層，覆蓋層厚達(dá)12m，礫石粒徑大于150mm含量僅占總量的9.16%，起動(dòng)流速僅為0.7m/s～0.8m/s。本工程截流龍口流速可達(dá)6m/s以上，護(hù)沖流速低，甚至在預(yù)進(jìn)占過程中就會(huì)造成河床大量沖刷；截流河段位于原導(dǎo)流樞紐明渠進(jìn)口，河床寬度達(dá)350m。截流過程中，泄洪沖砂閘作為分流通道，流道面高程為385.0m(河床高程約378.0m)，高于河床面約5m。若要實(shí)現(xiàn)泄洪沖砂閘分流條件，需將閘前水深雍高至5m以上，致使截流過程中落差可達(dá)8m以上。采用雙戧單向立堵法施工時(shí)，圍堰填筑拋投量大、強(qiáng)度高。截流備料場位于左岸下游，截流料物運(yùn)距大，工作面狹窄，截流施工組織難度大。

在深厚覆蓋層河床實(shí)施截流，因覆蓋層抗沖刷能力較小，在截流流量、落差、龍口流速均較大時(shí)，如果保護(hù)措施不當(dāng)，會(huì)在截流過程中形成沖刷性破壞、滲漏管涌性破壞、護(hù)底體系穩(wěn)定性破壞等，造成戧堤多種形式的坍塌，進(jìn)而危及施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全。若在坍塌和覆蓋層上拋投物料，因穩(wěn)定性下降及覆蓋層流失，加大了工程量，延長了截流困難段時(shí)間；在備料數(shù)量不足或備料粒徑不滿足抗沖要求時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致截流失敗。因此，無論從截流的安全性，還是從經(jīng)濟(jì)性方面，都增大了截流難度，對截流技術(shù)水平提出了更高的要求。2 井字格剛性護(hù)底體系

2.1 覆蓋層沖刷特性研究

截流束窄河床引起的覆蓋層沖刷，包括一般沖刷和局部沖刷兩種。

一般河流覆蓋層穩(wěn)定問題涉及的水力因素，主要為水深、流速及其垂線流速分布。對于截流龍口河床覆蓋層的穩(wěn)定問題，涉及的水力因素除上述因素外，還與床面束窄和堤頭的繞流作用等有關(guān)。床面束窄使得單寬流量增大，龍口流速、水深及垂線流速分布均發(fā)生相應(yīng)變化，水流沖刷能力增強(qiáng)。堤頭的繞流作用則與進(jìn)占方式及戧堤與水流流向的夾角有關(guān)。

局部沖刷的破壞性，一是在龍口不護(hù)底時(shí)，由于堤頭丁壩的繞流作用，會(huì)使龍口覆蓋層產(chǎn)生較大沖刷變形，導(dǎo)致堤頭坍塌，危及施工人員和機(jī)械的安全，尤其在高落差條件下截流，龍口覆蓋層的沖刷會(huì)延長困難段時(shí)間，對后續(xù)施工強(qiáng)度及截流備料提出更高要求，從而加大截流難度；二是在龍口護(hù)底時(shí)，護(hù)底兩側(cè)及尾部覆蓋層淘刷，對護(hù)底體系存在安全影響問題。

在深厚覆蓋層河床上實(shí)施護(hù)底或平拋墊底，不僅可提高河床的抗沖能力，減少河床沖刷及后續(xù)截流的工程量，而且可增大河床糙度，提高拋投料物穩(wěn)定性，減少流失量。護(hù)底措施一般選擇在汛末或汛后實(shí)施，為確保護(hù)底措施的有效性，需對護(hù)底材料粒徑、護(hù)底范圍及厚度進(jìn)行合理選擇，對護(hù)底的實(shí)施方式進(jìn)行研究。

常見的護(hù)底材料有鋼絲籠、四面體、榪杈體、混凝土六面體以及大石、特大石等。護(hù)底材料粒徑計(jì)算，為起動(dòng)問題，其相關(guān)計(jì)算參數(shù)選擇應(yīng)按截流進(jìn)占過程中遭遇的龍口水流條件及邊界條件確定。

在覆蓋層護(hù)底時(shí)，單體抗沖能力強(qiáng)，但由于拋投料的不規(guī)則性，下部砂卵石在起動(dòng)后形成淘刷，護(hù)底會(huì)逐漸沉陷破壞。

深厚覆蓋層截流施工中，砂卵石覆蓋層破壞嚴(yán)重，在護(hù)底采用單個(gè)塊體易發(fā)生沖刷破壞，需采用柔性措施，增強(qiáng)塊體整體性。對于大流量、高落差條件下截流施工，護(hù)底沉陷會(huì)增加拋投水深，料物流失量增大，堤頭坍塌風(fēng)險(xiǎn)增加，進(jìn)而影響截流進(jìn)程。 2.2 井字格剛性護(hù)底體系

根據(jù)截流水力特性，安谷水電站二期截流采用剛性護(hù)底方式，即采用混凝土平板護(hù)底，四周防滲墻嵌護(hù)的方式，防滲墻外側(cè)采用大塊體防護(hù)并增加柔性連接措施。此方法優(yōu)勢：(1)增強(qiáng)護(hù)底的整體性及耐沖性；(2)防止護(hù)底下游溯源沖刷及兩側(cè)淘刷對護(hù)底的破壞；(3)利于截流料物穩(wěn)定。剛性護(hù)底的混凝土平板在截流后續(xù)設(shè)計(jì)中因基礎(chǔ)穩(wěn)固，具備設(shè)計(jì)延展空間。

圖1 龍口護(hù)底平面布置示意

圖2 龍口護(hù)底縱剖面示意

防滲墻應(yīng)具備一定剛度，因防滲墻外側(cè)砂卵石抗沖能力小，在起動(dòng)后會(huì)迅速?zèng)_刷破壞，使得防滲墻成為擋土結(jié)構(gòu)，因此外側(cè)需增加塊體柔性防護(hù)。

剛性護(hù)底形成后，河床條件可按基巖進(jìn)行計(jì)算，其粒徑計(jì)算按伊茲巴什公式進(jìn)行計(jì)算，在同流速條件下，穩(wěn)定系數(shù)可由0.9高至1.2，料物粒徑減小20%。

2.3 護(hù)底范圍及厚度設(shè)計(jì)

護(hù)底長度選擇需充分了解龍口中心線上垂線流速分布特性，一般有“戧堤軸線以上為上大下小，軸線以下呈上小下大”規(guī)律，需考慮護(hù)底下游端覆蓋層的溯源沖刷對護(hù)底體系的安全影響。

護(hù)底寬度選擇可按戧堤束窄后覆蓋層產(chǎn)生大幅起動(dòng)時(shí)的口門寬，結(jié)合截流程序、進(jìn)占各階段的龍口水流條件以及覆蓋層的抗沖能力計(jì)算確定，需考慮護(hù)底兩側(cè)覆蓋層淘刷對護(hù)底體系的影響。

安谷電站截流護(hù)底工作在圍堰預(yù)進(jìn)占之前完成，其塊體尺寸需滿足拋投施工期間穩(wěn)定及截流期間不被沖刷，根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，單戧單向立堵截流最大流速高達(dá)6.47m/s，拋石塊徑按以下公式計(jì)算：

(1)

3 梳齒建筑物截流施工技術(shù)

在立堵截流中，當(dāng)截流流量、落差都很大時(shí)，一般采用雙(多)戧堤立堵截流，如三峽電站三期截流、伊泰普水電站等。

雙戧堤截流的適宜水力條件指采用雙戧堤立堵截流，必須保證截流全過程中，兩個(gè)戧堤的截流難度都同時(shí)小于單戧堤截流。在保證下戧堤截流難度小于單戧堤截流的前提下，使下戧堤壅水達(dá)到能夠改善上戧堤合龍時(shí)的最大難度，使之小于相應(yīng)單戧堤合龍。

落差的分配與控制問題是雙戧堤能否成功運(yùn)用的關(guān)鍵，要做到按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)落差分配是不易的，這主要是因?yàn)橛绊懧洳罘峙涞囊蛩睾芏?，如截流河段的比降、河床是否可沖、護(hù)底的條件及可靠性、兩戧堤之間的距離及水下的復(fù)雜地形、兩戧進(jìn)占的速度配合、截流的總落差大小和兩戧堤之間的岸坡條件及流態(tài)變化等。

截流河床過寬時(shí)，采用雙戧堤截流，會(huì)大大增加戧堤填筑工程量、截流材料與截流設(shè)備投入。若戧堤無法避開永久建筑物，還必須承擔(dān)起巨大的拆除費(fèi)用。因此，雙戧堤截流時(shí)效性強(qiáng)，在施工組織上，其難度不亞于工程建設(shè)本身，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上也花費(fèi)很大。

在截流龍口段施工中，通過抬高護(hù)底高程(如設(shè)置攔石坎)，可以減小龍口段水深，達(dá)到降低龍口落差的目的。但攔石坎高程設(shè)置過高，會(huì)降低龍口泄流能力，加大預(yù)進(jìn)占難度，使砂卵石覆蓋層產(chǎn)生沖刷，增加預(yù)進(jìn)占拋投料粒徑。

為減小截流料物流失，在截流施工前，通過設(shè)置施工平臺(tái)，在方案擬定龍口位置加打一排樁體，樁體直徑根據(jù)覆蓋層厚度及水力學(xué)條件進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置攔石樁后，當(dāng)水流流經(jīng)樁體之間時(shí)，束窄了河床，水流由于產(chǎn)生側(cè)向收縮，在進(jìn)口處形成水面降落，產(chǎn)生類似于寬頂堰流的水流現(xiàn)象，其情形可按無坎寬頂堰進(jìn)行計(jì)算。

與攔石樁結(jié)構(gòu)型式相近，安谷水電站二期截流采用梳齒墩結(jié)構(gòu)型式，泄流量可由寬頂堰公式計(jì)算：

(2)

其中，流量系數(shù)m與堰頭形狀有關(guān)，考慮到護(hù)底施工的簡易性，可按銳角進(jìn)行計(jì)算。

側(cè)向收縮系數(shù)ε是反映閘墩及邊墩對寬頂堰流的影響，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中，k為考慮閘墩頭及堰頂入口形狀的系數(shù)，當(dāng)閘墩(或邊墩)頭部為矩形，堰頂為直角入口時(shí)，k=0.19；當(dāng)閘墩(或邊墩)頭部為圓弧形，堰頂為直角或圓弧形入口時(shí)，k=0.10。公式的適用條件為：b/B≥0.2；P1/H<3。當(dāng)b/B<0.2時(shí)，以b/B=0.2代之；當(dāng)P1/H>3時(shí)，以P1/H≥3代之。

對于多孔寬頂堰(有閘墩及邊墩)，其側(cè)收縮系數(shù)應(yīng)取邊孔及中孔的加權(quán)平均值：

(4)

式中，n為寬頂堰溢流孔數(shù)；ε′為中孔側(cè)收縮系數(shù)，按式計(jì)算時(shí)可取b=b′,b′為單孔凈寬，B=b′+t，t為閘墩厚度，ε″為邊孔側(cè)收縮系數(shù)；用式計(jì)算時(shí)，取b=b′,b′為邊孔凈寬，B=b′+2△，△為邊墩的計(jì)算厚度，取為邊緣與堰上同側(cè)水邊線之間的距離。

σ淹沒系數(shù)與臨界水深有關(guān)，自由出流時(shí)其取值取大，一般取值0.9。

圖3 三種堰型泄流曲線(過流寬度選取60m)

通過三種不同堰型的泄流量理論計(jì)算比較，流量的大小最終由其流量系數(shù)mε決定，在保證自由出流的情況下，攔石坎(折線型實(shí)用堰)流量系數(shù)mε最大，攔石樁(無坎寬頂堰)流量系數(shù)mε次之，梳齒墩(有坎寬頂堰)流量系數(shù)最小。

通過上述研究，在確定龍口護(hù)底寬度時(shí)，為減小預(yù)進(jìn)占難度，攔石坎所需寬度最小，攔石樁及梳齒墩因其側(cè)向收縮系數(shù)大，雍水效果明顯，使得護(hù)底寬度增加。同時(shí)，根據(jù)圖3所示曲線，在同等流量條件下，在高落差截流中，根據(jù)建筑物自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有坎寬頂堰雍水效果最好，可以有效利用截流建筑雍水，抬升堰前水位，達(dá)到良好的分流效果。無坎寬頂堰次之。

通過修建梳齒墩，利用梳齒過流流態(tài)快速形成閘前雍水，創(chuàng)造良好分流條件。梳齒間距根據(jù)龍口口門寬度設(shè)定，減小特殊料物料徑、拋投強(qiáng)度及難度；梳齒及鋼絲繩形成攔石柵，減少料物流失；后續(xù)采用矩形墩澆筑扶壁式擋水墻形成圍堰龍口段防滲體系，節(jié)約施工成本及工期。

4 結(jié)語

梳齒建筑物截流施工技術(shù)由龍口護(hù)底技術(shù)、截流攔石技術(shù)和龍口防滲技術(shù)三部分構(gòu)成。其中，護(hù)底技術(shù)是利用井字格塑性防滲墻+混凝土底板構(gòu)成剛性護(hù)底體系，減小高速水流對龍口河床的沖刷破壞；截流攔石技術(shù)采用混凝土矩形墩+鋼索連接形成攔石體系減少料物流失；龍口防滲技術(shù)是采用矩形墩澆筑扶壁式擋水墻形成圍堰龍口段防滲體系，經(jīng)濟(jì)快捷。

梳齒截流時(shí)，特殊料物采用原級配砂卵石澆筑成混凝土六面體，鋼絲繩串之形成串體。混凝土六面體單體粒徑滿足球化粒徑要求，同時(shí)施工成本低、效率高，采用常規(guī)型號施工機(jī)械即可滿足運(yùn)輸、吊裝、拋填要求。

王升德(1969.9-)，男，四川人，中專，工程師；

孔云洲(1987.5-)，男，湖北宜都人，本科，助理工程師。

TV551.21

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2095-1809(2016)03-0073-04