大石峽水利樞紐工程施工導(dǎo)截流方案

何 偉

(新疆塔里木河流域大石峽水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 阿克蘇 843000)

1 工程概況

大石峽水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)，阿克蘇河一級支流——庫瑪拉克河中下游溫宿縣與烏什縣交界處的大石峽峽谷出口河段。樞紐距下游已建的小石峽壩址約11km，距阿克蘇市約100km。大石峽水利樞紐工程是國務(wù)院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程之一，具有向塔里木河干流生態(tài)供水、灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益。

大石峽水利樞紐工程屬Ⅰ等大(1)型工程，水庫總庫容11.7億m3，電站總裝機容量750MW，年發(fā)電量18.93億kW·h。樞紐工程由混凝土面板砂礫石壩、表孔溢洪道、中孔泄洪排沙洞、深孔排沙放空洞、生態(tài)放水孔、引水和發(fā)電廠房等建筑物組成，最大壩高247m。泄水、導(dǎo)流建筑物、引水及發(fā)電建筑物均布置在左岸。

本工程采用全年圍堰一次攔斷河流、導(dǎo)流洞導(dǎo)流方式。導(dǎo)流洞于2017年11月開工，2019年11月截流，2020年5月底圍堰已經(jīng)施工至設(shè)計高程1539.00m。

2 工程施工導(dǎo)、截流特點

2.1 自然環(huán)境影響

大石峽壩址區(qū)多年平均氣溫11.5℃，一月份平均氣溫-6.7℃，七月份平均氣溫24.9℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-22.0℃，多年平均降水量129.5mm。壩址處河流多年平均流量154.5m3/s。庫瑪拉克河洪水主要由冰川、永久性積雪和季節(jié)性融雪水及降水形成，洪水類型主要分為：融冰雪型洪水、冰川阻塞湖潰決型洪水、融冰雪和降水混合型洪水，6—9月為主汛期，11月至翌年5月為枯水期。

工程區(qū)氣溫年際變化大，冬季寒冷且持續(xù)時間長，晝夜溫差大，日照時間長，堰體防滲結(jié)構(gòu)從防凍和防紫外線老化等耐久性因素考慮宜布置在堰體中心部位。

2.2 地形地質(zhì)條件影響

壩址區(qū)為典型峽谷地形，河谷呈基本對稱的“V”型。兩岸均為基巖邊坡，山勢高陡，自然邊坡坡度一般45°～75°，局部近直立。河床主要堆積漂石砂卵礫石層，兩岸坡腳混雜崩坡積大塊石及碎石，下游小石峽水電站2012年蓄水前圍堰處河水位高程1481.70m，小石峽水電站下閘蓄水后庫尾經(jīng)過近7年的淤積，河床新增淤積砂礫石厚度約5～8m，河床覆蓋層厚度約為20～23m。覆蓋層下伏基巖為微晶灰?guī)r夾紫紅色厚層灰質(zhì)礫巖，層面較發(fā)育，巖體完整性較好，河床基本無強風(fēng)化巖體，弱風(fēng)化深度15～20m。

工程區(qū)天然砂礫料儲量豐富運距較近，建筑物開挖石渣微晶灰?guī)r為中硬巖，最近的土料場距工程區(qū)約50km，厚度較薄且擬開墾利用。

工程區(qū)缺乏黏土料，防滲材料不宜選擇土料；河床覆蓋層厚度小于30m，大孤石、漂石含量較少，基礎(chǔ)防滲采用高壓旋噴墻的條件較好；上游圍堰較高，河谷狹窄，兩岸基巖岸坡較陡，故截流道路布置以及圍堰的填筑道路布置均非常困難。

2.3 工程建設(shè)要求

上游圍堰高度達(dá)54m，填筑量約48萬m3，高壓旋噴面積約0.6萬m2，截流時間確定在11月下旬，5月底庫瑪拉克河進(jìn)入汛期，上游圍堰施工時間只有6個月，基本位于氣溫較低的冬季，圍堰填筑和防滲規(guī)模大，汛前完成圍堰工程工期緊張。

3 施工導(dǎo)流方案

3.1 導(dǎo)流方式

大石峽水利樞紐位于峽谷出口段的河灣處，左凸右凹，河谷呈基本對稱的“V”型谷，兩岸陡峻，河谷常水位下河寬約30～50m，地形狹窄，不具備河床導(dǎo)流分期條件，導(dǎo)流和泄水建筑物均利用左岸突出山梁裁彎取直布置，出流條件好，故導(dǎo)流方式采用河道一次攔斷河床、隧洞過流的方式進(jìn)行施工導(dǎo)流，導(dǎo)流洞下閘蓄水后深孔排沙放空洞和中孔泄洪排沙洞控泄限制水庫抬升水位，并進(jìn)行導(dǎo)流洞封堵。

3.2 導(dǎo)流設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

大石峽水利樞紐工程為Ⅰ等大(1)型工程。擋水建筑物最大壩高247.5m，為特高混凝土面板堆砂礫石壩，下游有小石峽水電站及阿克蘇等城鎮(zhèn)。根據(jù)規(guī)范[1]第4.8.1條規(guī)定，施工期間臨時性建筑物擋水、泄水標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)保護(hù)對象、失事后果、使用年限及臨時性擋水建筑物規(guī)模，綜合確定圍堰和導(dǎo)流建筑物的級別為4級。

根據(jù)規(guī)范[2]第5.6.1條規(guī)定，同時結(jié)合大石峽工程特點，圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)取土石結(jié)構(gòu)臨時擋水建筑物的上限20年一遇洪水，洪峰流量2266m3/s，上游圍堰最高擋水水位1534.46m，下游圍堰最高擋水水位1492.31m。

3.3 導(dǎo)流建筑物設(shè)計

導(dǎo)流洞布置在河灣地形的凸岸(左岸)，導(dǎo)流建筑物全長1557.9m，由進(jìn)口明渠、閘室段、洞身段、出口明渠段組成，其中隧洞長1200m，斷面型式為“城門洞型”，洞內(nèi)流態(tài)按有壓洞設(shè)計，出口按非淹沒出流設(shè)計，隧洞過常遇流量時為明流，相應(yīng)流態(tài)為陡坡急流。

導(dǎo)流洞進(jìn)口明渠和閘室段長度24m，采用岸塔式結(jié)構(gòu)形式，閘室內(nèi)設(shè)中墩，2孔布置，單孔尺寸5m×14.5m。導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程1487.00m，洞身斷面為10m×14.5m，隧洞縱坡i=6.67‰，全洞采用鋼筋混凝土襯砌[3]。出口明渠由底流消能段和出口明渠段組成，底流消能段長150m，出口明渠擴散段長207.9m，明渠之外采用鋼筋混凝土海漫與河道相連。

4 施工截流方案

4.1 截流時機

截流時間宜選擇在汛后，以便在枯水期內(nèi)有充足的時間來完成圍堰填筑。根據(jù)庫瑪拉克河水文特性，10—11月為汛后退水期，11月份的流量明顯減少，選擇在11月份截流較為合適。工程區(qū)冬季氣候寒冷，持續(xù)時間長，11月底即進(jìn)入冰凍期，河道開始結(jié)冰，考慮及早截流，可以給截流、戧堤閉氣及防滲墻施工創(chuàng)造較好的條件。結(jié)合施工形象和圍堰度汛要求，大石峽水利樞紐工程主河床截流時間選擇在2019年11月上、中旬合適，并宜及早截流。

根據(jù)規(guī)范[2]，截流標(biāo)準(zhǔn)可采用截流時段重現(xiàn)期5～10年一遇的月或旬平均流量，考慮本工程規(guī)模大，截流標(biāo)準(zhǔn)取上限，選擇11月上旬10年一遇旬平均流量，相應(yīng)流量為61.2m3/s。

4.2 截流方案

4.2.1截流戧堤方式及龍口位置確定

根據(jù)上游圍堰地形條件、采用上戧堤單戧立堵截流方式，龍口設(shè)在左岸，由右岸向左岸進(jìn)占施工。鑒于本工程戧堤布置處河谷寬度只有大約40m，岸坡基巖裸露，截流前戧堤不進(jìn)行預(yù)進(jìn)占。

根據(jù)截流設(shè)計流量、導(dǎo)流洞泄流能力及龍口水力學(xué)條件[4- 5]，確定戧堤擋水水位為1489.55m，考慮波浪爬高及安全超高后戧堤頂高程取1491.50m。戧堤頂寬根據(jù)拋投強度要求，為滿足3～4輛20t自卸汽車同時拋投作業(yè)，戧堤頂寬定為20m。戧堤按梯形斷面設(shè)計，其迎水端頭設(shè)計坡比為1∶1.3，上、下游坡設(shè)計坡比均為1∶1.5。

4.2.2截流水力學(xué)計算

通過截流水力學(xué)計算結(jié)果，采用單戧堤單向截流時，戧堤最高上游水位為1491.72m，最大落差為2.42m，龍口最大流速為4.44m/s，最大單寬流量為4.66m3/(s·m)，最大單寬功率8.76t·m/(s·m)。

大石峽圍堰戧堤布置在圍堰高噴墻的上游，為防止鋼筋籠(或大粒徑石渣)落入高噴墻施工區(qū)域，戧堤軸線與高噴墻軸線相隔一定的安全距離，需復(fù)核計算截流拋投物預(yù)留沖距，計算時利用經(jīng)驗公式估算[2,6- 8]。

(1)

式中，L—拋石沖距，m；H—龍口水深，m；v—龍口垂線平均流速，m/s；d—塊石折算直徑，cm。

截流時拋投塊石粒徑及沖距計算成果見表1。

表1 拋投塊石粒徑及沖距計算成果表

采用圍堰上游戧堤方案時，從表1看出，上游拋石沖距最大為13.32m，設(shè)計的截流戧堤下游坡腳距高噴墻軸線約87m，拋石沖距遠(yuǎn)小于此距離，截流戧堤拋投物對圍堰防滲高噴墻施工不會造成影響。

4.3 截流建筑物設(shè)計

4.3.1圍堰堰型確定

由于圍堰填筑前場內(nèi)道路和左岸聯(lián)合進(jìn)水口開挖已經(jīng)開始，堆石料和天然砂礫料充沛，考慮充分利用開挖渣料和當(dāng)?shù)夭牧?，上下游圍堰均采用土石圍堰。大石峽河床為砂卵礫石層，目前高壓旋噴技術(shù)成熟，適應(yīng)各種壩基，既經(jīng)濟又安全可靠[4- 5]，基礎(chǔ)防滲采用高壓旋噴墻；考慮土工膜在氣溫5°C以上及無雨時即可正常施工，施工進(jìn)度快，不會干擾上下游填筑[8- 10]，因此堰體防滲采用土工膜心墻防滲。

4.3.2高壓旋噴墻施工平臺高程確定

依據(jù)施工進(jìn)度安排，上游圍堰高噴防滲墻施工工期為2019年11月至12月底。上、下游圍堰防滲墻施工平臺按其施工時段5年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，取11—12月5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)流量為Q20%=68.1m3/s，相應(yīng)上游堰前水位為1492.05m?？紤]一定的安全超高、涌浪高度后，確定上游圍堰防滲墻施工平臺高程為1495.00m，下游圍堰防滲墻施工平臺高程為1491.00m。

4.3.3圍堰斷面設(shè)計

上、下游圍堰均采用復(fù)合土工膜心墻土石圍堰，根據(jù)規(guī)范[1]第2.4.20條規(guī)定，堰頂高程頂部不應(yīng)低于設(shè)計洪水的靜水位與波浪高度及堰頂安全加高值之和，考慮到小石峽蓄水后，河床不同程度淤積抬高，上游圍堰高度需預(yù)留一定裕度，確定上游圍堰堰頂高程1539.00m，下游圍堰堰頂高程1495.00m。

(1)上游圍堰斷面形式。上游圍堰堰頂高程取1539.0m，圍堰最大高度54.0m，頂寬為10m，上游坡比為1∶1.65，下游坡比為1∶1.3，頂部長度197m，最大底寬約195m，下游坡腳距離大壩上游開挖線約40m，上游坡腳距離導(dǎo)流洞進(jìn)口約40m。高壓旋噴灌漿施工平臺高程1495.00m，旋噴墻深約30m。1495.00m高程以上采用土工膜心墻進(jìn)行防滲，土工膜高度約44m，土工膜上、下游側(cè)采用砂礫石墊層進(jìn)行保護(hù)，厚0.7m，墊層下游設(shè)置過渡區(qū)，厚2.4m。圍堰兩岸采用帷幕灌漿防滲，灌漿孔間距為3m，孔深7m。截流戧堤位于圍堰下游側(cè)。圍堰在上下游側(cè)各設(shè)置兩級2m寬馬道。圍堰填筑料主要采用開挖石渣料和天然砂礫石料。

(2)下游圍堰斷面形式。下游圍堰堰頂高程1495.00m，最大高度8.5m，考慮交通要求，圍堰頂寬12m，上、下游坡比均為1∶1.8，堰頂長度246m，最大底寬44m。圍堰防滲型式采用高壓旋噴墻+土工膜心墻的型式，防滲墻施工平臺高程1491.0m，高噴防滲墻最大深度13.5m。1491.0m高程以上采用土工膜心墻進(jìn)行防滲，土工膜高度約4.0m，土工膜兩側(cè)采用砂礫石心墻進(jìn)行保護(hù)，墻厚4m。圍堰下游坡采用1m厚的塊石進(jìn)行防護(hù)。

通過穩(wěn)定及滲流分析，上、下游圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，圍堰各分區(qū)滲透比降均小于允許安全值。上、下游圍堰剖面及具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖1—2。

圖1 上游圍堰剖面圖(尺寸單位為cm，高程單位為m)

5 施工導(dǎo)、截流方案實施

5.1 河床截流施工場地條件及道路布置

主河床截流前右岸有沿河路通向上游臨時棄渣場，并通過上游臨時橋與左岸相通，左岸有低線過壩交通洞溝通上下游交通，左、右岸均具有截流施工的交通條件。左岸低線過壩洞出口處以及右岸臨時橋下游均具有施工場地條件。其中右岸臨時橋下游場地面積約0.4萬m2，滿足截流備料堆放及截流施工期生產(chǎn)設(shè)施布置要求，若從右岸進(jìn)占截流則所用石渣料可采自于上游棄渣場；若從左岸進(jìn)占截流則左岸低線過壩交通洞出口處場地面積稍顯不足，且左岸作為備料場地及截流所用石渣料只能利用下游棄渣場，運距均較遠(yuǎn)。因此，推薦從右岸進(jìn)占截流，右岸臨時橋下游臺地作為截流備料場地使用。截流交通及場地布置如圖3所示。

圖2 下游圍堰剖面圖(尺寸單位為cm，高程單位為m)

圖3 截流道路及場地條件示意圖(視角從上游向下游看，圍堰軸線在貝雷橋附近)

5.2 導(dǎo)流洞進(jìn)口臨時圍堰拆除

導(dǎo)流洞進(jìn)口臨時圍堰采用高壓旋噴心墻+混凝土擋水墻，截流前必須予以拆除。首先采用破碎錘將上部混凝土擋水墻及高噴墻破碎，采用挖機從進(jìn)口上游至下游將石渣裝運至下游棄渣場。如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流洞進(jìn)口臨時圍堰拆除示意圖(反鏟位置即為導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰位置)

5.3 截流戧堤進(jìn)占

根據(jù)合龍過程中不同寬度龍口的流速、落差及單寬功率等水力學(xué)指標(biāo)，本工程龍口段進(jìn)占共劃分為3個區(qū)，以便于施工時控制拋投材料及采用適當(dāng)?shù)膾佂都夹g(shù)。經(jīng)計算進(jìn)占Ⅰ區(qū)拋投石渣2100m3，進(jìn)占Ⅱ區(qū)拋投中石2500m3、大石650m3，進(jìn)占Ⅲ區(qū)拋投中石2200m3、大石1500m3，整個合龍時間控制在1d內(nèi)，龍口拋投強度大于500m3/h。截流進(jìn)占分區(qū)示意如圖5所示。

圖5 截流戧堤進(jìn)占分區(qū)示意圖(尺寸單位為cm，高程單位為m)

5.4 戧堤合龍

截流時龍口流速較大，需要高強度拋投施工，故在右岸上游棄渣場布置1臺1.6m3的反鏟及3輛20t的自卸汽車進(jìn)行石渣拉運。在左岸過壩交通洞進(jìn)口布置2臺1.6m3的反鏟及10輛20t的自卸汽車，負(fù)責(zé)截流戧堤拋投料的裝運，在貝雷橋下游右岸場地1臺1.6m3的反鏟及8輛20t的自卸汽車，進(jìn)行塊石、鋼筋籠、黏土閉氣料的裝運，戧堤平臺布置一臺SD22推土機進(jìn)行平料。截流戧堤采用單戧立堵右岸進(jìn)占，戧堤上車輛運行道路布置為加寬三車道。合龍進(jìn)占由右岸向左岸推進(jìn)，各區(qū)段在進(jìn)占過程中，應(yīng)先在戧堤上游側(cè)拋投大塊徑料形成挑角，然后在下游側(cè)拋投小塊徑料，截流過程中根據(jù)拋投料的流失量，及時調(diào)整拋投料組合粒徑，當(dāng)截流進(jìn)入困難段時，采取2—3輛車并排同時拋投，截流戧堤寬度20m，并適時將特殊料由推土機推入龍口。

2019年11月23日，庫瑪拉克河成功截流。

6 結(jié)語

施工導(dǎo)截流是大石峽水利樞紐工程建設(shè)的里程碑節(jié)點，大石峽截流設(shè)計考慮了低溫氣候、黏土料缺乏、狹窄的河谷地形、覆蓋層較厚等因素對防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計、截流和圍堰填筑道路布置的不利影響，采用復(fù)合土工膜心墻堆石圍堰一次攔斷河床、大壩基坑全年施工、利用左岸凸出山梁裁彎取直布置導(dǎo)流洞過流的導(dǎo)流方式。大石峽水利樞紐立足于現(xiàn)有工期緊張、截流布置困難的施工條件，在確保上游圍堰安全的施工情況，改善截流條件，將截流時段調(diào)整到11月下旬，減少了截流施工難度，保證了后續(xù)圍堰填筑、高壓旋噴防滲墻施工周期，可為寒冷峽谷地區(qū)同類工程導(dǎo)、截流設(shè)計提供借鑒。