浅议瀑布沟工程截流设计

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1 工程概况及截流特点

1.1工程概况

　　瀑布沟水电站工程位于大渡河中游汉源与甘洛两县境内，是以发电为主，兼有防洪、拦砂等综合利用的大型水电工程。电站装机容量330万KW。电站枢纽由砾石土心墙堆石坝、地下厂房系统、开敞式溢洪道、泄洪洞及尼日河引水工程等组成。挡水建筑物为砾石土心墙堆石坝，最大坝高为186m。

　　大渡河在坝址处由南北流向急转近东流向，平面上呈“L”型。上游围堰布置于转弯段，此段附近坡陡流急。上游围堰河段呈较宽缓的不对称“V”型 河谷，河床部位有较深厚覆盖层约60m，自下而上由Q1-14卵砾石层（层厚5～20m）、Q1-24含漂卵石层（层厚20m左右）、Q24漂（块）卵石层（层厚17m左右）三大层组成。各层渗透系数K值差异不大，渗透系数一般为2.3×10-2～1.04×10-1cm/s，具有强透水性，均属强透水层。

　　工程采用围堰挡水、隧洞导流、大坝基坑全年施工的导流方式。初期导流设计标准为30年一遇，设计流量7320m3/s。上、下游围堰堰顶高程分别为722.5m、682.5m。工程拟采用立堵截流方式于2004年11月中旬实施河床截流，由两条导流隧洞过流，截流流量选用11月中旬10年一遇旬平均流量1000m3/s。导流洞进口高程673.0m，出口高程668.0m，洞身为马蹄形断面，宽13m、高16.5m，断面面积 201m2。1#导流洞洞长926.429m，底坡5.4‰，2#导流洞洞长1003.435m，底坡为5.0‰。

1.2截流特点

1、大渡河天然河床坡降大，水流湍急，11月中旬截流流量1000m3/s，模型试验戗堤落差达5.69m，最大流速8.61m/s，属大落差、高流速截流，截流难度大。

2、坝址处河床覆盖层厚度一般40～60m，截流动床模型试验中，戗堤下游最大冲坑深度5.41m。由于河床狭窄，水流流速大，无法进行戗堤龙口护底施工。

2 截流设计

2.1截流时段和截流流量

　　根据设计文件以及大渡河瀑布沟水电站工程截流模型试验大纲评审会会议纪要精神，截流试验研究以11月中旬截流作为基本研究条件。截流流量采用11月中旬10年一遇旬平均流量1000m3/s，非龙口段预进占流量采用11月上旬10年一遇旬平均流量1340m3/s，预进占戗堤裹头保护流量采用11月（11月6日～11月30日）20年一遇最大流量1490 m3/s。

2.2截流方式、截流戗堤布置及龙口位置

2.2.1截流方式

　　在初步设计中，截流戗堤位于上游围堰堰体内，为大坝永久工程的一部分，戗堤轴线平行于大坝轴线。由于大渡河在该处由南北向急转向东流向，致使戗堤轴线不与主流垂直，截流水力学条件比较复杂。在试验大纲评审会中，专家们对截流戗堤布置进行了讨论，一致认为，截流戗堤从原围堰中分离出来，垂直于河床，在不影响导流洞进口流态条件下尽量上移至导流洞进口附近既有利于降低截流难度、改善截流水流条件，又有利于缩短戗堤长度，减少龙口合拢时间，同时截流材料的选择也可不受围堰填筑材料和施工工艺要求的限制，因此专家推荐采用该方案。同时根据现场施工条件，确定了截流戗堤采用单戗立堵、双向进占的截流方式。

2.2.2截流戗堤布置

（1）戗堤平台顶高程、断面

　　由于按11月中旬Q=1000 m3/s流量截流时，截流终落差试验成果表明，围堰合拢闭气后，围堰上游水位为681.26m，考虑波浪爬高及安全超高，戗堤顶高程定为684m（模型试验高程683m）。戗堤顶面长度103m，戗堤断面为梯形，上下游坡由进占抛投料自然形成。为满足施工强度要求，同时考虑戗堤防渗，戗堤顶宽定为30m，其中上游侧5m采用有利于防渗的土料或小粒径跟进。

（2）戗堤位置

　　在模型试验中，经多轴线方案对比，发现截流戗堤距导流洞进口约70m时，进入上围堰防渗墙施工部位的抛投料流失料很少，大石和中石更少；同时导流洞进口水流流态也没有明显变化；另外，戗堤轴线再往上移的余地较小。因此，截流戗堤轴线最终定在距导流洞进口约70m处。轴线控制点坐标见表1。

表1、戗堤轴线控制点坐标表

轴线控制点

X

Y

左岸

34581155.00

3233267.50

右岸

34581053.80

3233250.50

（3）龙口位置及龙口宽度选择

　　截流戗堤轴线全长约103m，现有河床水面线宽度70m左右。地质资料表明，戗堤位置无适合最终合拢的浅薄覆盖层地段。综合考虑截流戗堤备料基本在左岸和右岸截流戗堤地势开阔等因素，选定的龙口位置位于河床偏左岸，以利两岸同时进占，均衡抛投。

　　截流龙口宽度指截流戗堤预留的最小宽度，亦即合拢的起始口门宽。龙口宽度的选择没有进行不同宽度的对比分析，但综合考虑了如下因素：

（1）进占流量1490m3/s时，经龙口束窄壅高后的水位不高于戗堤平台顶高程684m；控制左、右岸非龙口段堤头流速，保证中、小石基本不被冲刷流失。避免因采取裹头保护措施而增加工程费用。

　　当非龙口段进占形成B=70m龙口，左堤头中石裹头、右堤头小石裹头，遭遇裹头防冲保护流量1490m3/s时，戗堤落差0.18m；左堤头最大流速2.83m/s，右堤头最大流速1.41m/s，龙中最大流速4.71m/s；左右堤头材料稳定性较好，基本不流失。

（2）龙口工程量能在二天左右完成。

（3）合拢前两岸的进占长度满足有关截流施工的准备工作要求。

2.3分流建筑物及其泄流能力

　　工程截流期间，主要通过左岸两条导流隧洞导流。导流洞进口高程673.0m，出口高程668.0m，洞身为马蹄形断面，宽13m、高16.5m，断面面积 201m2。1#导流洞洞长926.43m，底坡5.4‰，2#导流洞洞长1003.44m，底坡为5.0‰。

　　导流洞进出口围堰残埂对截流的影响较大，进口围堰残埂必须挖除到1m以下。截流设计按照上游围堰残埂拆除到1.0m以下。相应泄流水位流量关系曲线见表2和图1。

表2、导流洞泄流流量与截流戗堤上游水位关系表

Q(m3/s)

500

750

1000

1500

2000

3000

4000

4800

水位(m)

678.61

679.50

680.81

683.49

685.97

690.31

693.91

698.14

 

2.4.戗堤进占方案

2.4.1进占程序

　　截流进占采取双向进占。非龙口段左岸进占12m，右岸进占21m，形成B=70m龙口。龙口段进占左、右岸堤头进占长度按1：2控制。见PBGJL-001截流设计图。

　　龙口段进占抛投强度按1.5万m3/d控制，其中左堤头0.5万m3/d，右堤头1.0万m3/d。

2.4.2截流戗堤非龙口段进占及其水力学参数

　　11月上旬，导流洞具备分流条件后，进行非龙口段进占，左岸进占12m，右岸进占21m，形成B=70m宽龙口。此时龙口流量950～927 m3/s，龙口平均流速3.08m/s，龙口最大流速4.54m/s，落差0.16m。

　　堤头按照Q=1490m3/s进行裹头防冲保护。左岸小石进占10m，然后用中石进行裹头护脚2m左右，左岸总进占长度12m。

　　右岸小石进占21m，小石裹头。

2.4.3截流戗堤龙口段进占及其水力学指标

　　龙口段进占流量Q=1000m3/s，左、右岸堤头进占长度按1：2控制。进占抛投强度按1.5万m3/d强度控制，其中左堤头0.5万m3/d，右堤头1.0万m3/d。水力学主要参数见表3。

表3、截流水力学参数表

龙口宽(m)

戗堤上游水位（m）

戗堤落差

（m）

左堤头最大流速（m/s）

右堤头最大流速（m/s）

龙口最大流量(m3/s)

龙口最大流速（m/s）

70

678.74

0.16

2.70

2.35

950

4.54

50

678.47

2.07

4.27

4.40

927

4.94

35

679.19

4.03

6.71

6.71

677

6.98

20

680.40

5.69

7.78

7.78

450

8.61

0

681.07

-

-

-

-

-

1、B=70m～50m进占

　　本进占段左堤头共进占6.7m，右堤头共进占13.3m。左堤头小石全断面进占5m后，上挑角采用小石进占中石突前进占，其它部位小石进占。右堤头小石全断面进占。

2、B=50m～35m进占

　　本进占段左堤头共进占5m，右堤头共进占10m。

　　此区段开始B=50m时，左堤头采用中石进占4.3m后，上挑角用大石配合中石进占，轴线以下仍用小石滞后2m进占。

　　左堤头大石进占2m（此时B=44m）时，换用特大块石于上挑角突前进占。

　　左堤头进占3m（此时B=41m）时，流失料堆积体与左堤头下坡脚相接，此时戗堤轴线以下部位适当使用中石配合小石进占。

　　右堤头上挑角中石突前进占4m（此时B=44m）时，换用大块石于上挑角突前进占，轴线以下仍用小石滞后2 m进占。

　　右堤头进占6m（此时B=41m）后，戗堤轴线以下部位进占适当使用中石配合小石进占。

　　形成B=35m龙口时，戗堤最大落差4.03m。左堤头最大流速7.05m/s，右堤头最大流速为7.05m/s。

3、B=35m～20m进占

　　本进占段左堤头共进占5m，右堤头共进占10m。

　　左右堤头均采用少量特大块石配合大石突前进占，抛投料一部分于堤头坡面累积，一部分随水流滚动，于戗堤下坡脚处的堆积料表面及上游停留。上挑角进占比较缓慢，但龙口堆积体在不断向上游延伸，龙口底部也在不断抬升。此时应加大进占抛投强度，以减小抛投料的流失量。戗堤轴线以下进占抛投材料应以中石和大石为主，少量小石、特大块石配合进占。

　　B=28m时，戗堤轴线处龙口已形成三角形断面。在戗堤轴线处加大特大块石的抛投量，以便保证更多的抛投材料稳定在龙口戗堤范围内，减少流失量。

　　形成B=20m龙口时，戗堤落差5.69m。左堤头最大流速7.78m/s，右堤头最大流速为7.78m/s。龙口最大流速8.61m/s。

4、B=20m～0m进占合拢

　　左、右堤头进占端面抛投材料均以大石为主，部分中、小石配合进占。进占至B=10m时，龙口抛投材料露出水面，采用小石进占直至合拢。

　　龙口段进占合拢过程中，戗堤上游面约5m宽采用小石、石渣料始终滞后进占戗堤3～5m跟进，以增强戗堤防渗能力，避免因渗流量过大造成戗堤下游侧坍塌。

　　戗堤合拢后，戗堤上游为大片顺时针方向的回流区，上游坡脚处最大回流流速0.82m/s，坡脚外8 m处最大回流流速0.71m/s。

2.5抛投材料粒径及数量的选定

2.5.1抛投材料用量

　　在不考虑抛投材料流失系数的情况下，抛投材料总用量约30500m3（不含高程683m～684m填筑量4500m3），其中小石(0.2 m～0.4m)约占57.5%，17550m3；中石(0.4 m～0.7 m)约占20.3%，6200m3；大石（0.7m～1.0m）约占11%，3350m3；特大石（1.0～1.3m）约占11.2%，3400m3。抛投材料分区见PBGJL-001，用量见表4。

表4、戗堤进占抛投料使用情况表

进占区段（m）

戗堤

进占长度（m）

小石（m3）

中石（m3）

大石（m3）

特大块石（m3）

各区段总量（m3）

103～70

左戗堤

12.0

1550

0

0

0

4100

右戗堤

21.0

2550

0

0

0

70～50

左戗堤

6.7

1600

500

0

0

5200

右戗堤

13.3

2850

250

0

0

50～35

左戗堤

5.0

1150

900

400

300

7250

右戗堤

10.0

2400

1300

500

300

35～20

左戗堤

5.0

1150

900

500

600

8750

右戗堤

10.0

1800

1200

1200

1400

20～0

左戗堤

6.7

800

450

350

100

5200

右戗堤

13.3

1700

700

400

700

小计

-

103

17550

6200

3350

3400

 

合计

-

30500

30500

各级抛投料占总量的百分比（%）

57.5

20.3

11

11.2

-

2.5.2抛投材料备存量

　　抛投料粒径的选择是根据模型试验计算结果，参考水工模型试验成果，并结合其它工程实践经验得出。考虑材料中间运输流失、截流冲刷流失等因素的影响，确保截流万无一失，截流备料总量以理论抛投量的1.8倍计，则总的材料备用量按照表4的1.8倍考虑，分别为小石31690m3；中石11160m3；大石6030m3；特大石6120m3，合计55000m3。

2.5.3混凝土四面体、钢筋笼的抛投

　　在截流进占过程中，由于龙口落差大、流速大，抛投材料产生一定的流失。为减少流失量，预制30块20吨砼四面体、20个铅丝笼，在龙口段进占过程中进行抛投，起到拦石坎的作用，减少后续抛投材料的流失量。随着龙口缩小，根据现场水力条件的变化情况，继续抛投砼四面体或者块石串等，直至抛投的大中块石基本稳定为止。混凝土四面体结构见附图二。

3 防渗平台的跟进施工

　　为了为防渗墙施工赢得工期，在截流进占过程中围堰防渗墙施工平台跟进施工。在截流戗堤龙口段进占前，上游围堰砼防渗墙施工平台头部应顺应河势使水流平顺，右岸砼防渗墙施工平台最大跟进长度应以平台迎水侧80m，平台背水侧44 m为宜。

4 截流戗堤防洪预案

　　模型试验中，河床水力学参数是按照设计提供的参数确定的，是河床没有束窄或抬高的天然河床。瀑布沟工程前期施工已经使河床水力学条件发生变化，因此，有必要编制防洪预案。预案采用百年一遇流量约Q=2000m3/s、导流洞进口水位685.97m、波浪爬高按照1.5m设计。

　　主要措施：上游侧增加5m大石和特大石护坡、戗堤顶加高到高程687.5m，具体见下图。

　　预案增加大石9200m3、石碴11420m3，合计20620m3。

5、结语

　　瀑布沟水电站工程截流从指标来看属大落差、高流速截流，而且截流段河床地形地质条件复杂,截流难度相当大，要确保顺利截流关键是科学指导的前提下高度重视截流，做好一切准备工作，确保万无一失。