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12m，護沖流速低，截流過程中，泄洪沖砂閘作為分流通道，高于河床面約5m。若要實現(xiàn)泄洪沖砂閘分流條件時，使得截流落差達到8m以上。采用雙戧單向立堵法施工時，圍堰填筑拋投量大、強度高，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)成功實現(xiàn)二期截流。

梳齒截流技術(shù) 井字格剛性護底 安谷水電站 截流施工

1 概述

安谷水電站二期截流，河床砂卵石為強透水層，覆蓋層厚達12m，礫石粒徑大于150mm含量僅占總量的9.16%，起動流速僅為0.7m/s～0.8m/s。本工程截流龍口流速可達6m/s以上，護沖流速低，甚至在預(yù)進占過程中就會造成河床大量沖刷；截流河段位于原導(dǎo)流樞紐明渠進口，河床寬度達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8m以上。采用雙戧單向立堵法施工時，圍堰填筑拋投量大、強度高。截流備料場位于左岸下游，截流料物運距大，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，如果保護措施不當(dāng)，會在截流過程中形成沖刷性破壞、滲漏管涌性破壞、護底體系穩(wěn)定性破壞等，造成戧堤多種形式的坍塌，進而危及施工人員和機械設(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間；在備料數(shù)量不足或備料粒徑不滿足抗沖要求時，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。堤頭的繞流作用則與進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，一是在龍口不護底時，由于堤頭丁壩的繞流作用，會使龍口覆蓋層產(chǎn)生較大沖刷變形，導(dǎo)致堤頭坍塌，危及施工人員和機械的安全，尤其在高落差條件下截流，龍口覆蓋層的沖刷會延長困難段時間，對后續(xù)施工強度及截流備料提出更高要求，從而加大截流難度；二是在龍口護底時，護底兩側(cè)及尾部覆蓋層淘刷，對護底體系存在安全影響問題。

在深厚覆蓋層河床上實施護底或平拋墊底，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。護底措施一般選擇在汛末或汛后實施，為確保護底措施的有效性，需對護底材料粒徑、護底范圍及厚度進行合理選擇，對護底的實施方式進行研究。

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

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

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

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

圖1 龍口護底平面布置示意

圖2 龍口護底縱剖面示意

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，在起動后會迅速沖刷破壞，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。

剛性護底形成后，河床條件可按基巖進行計算，其粒徑計算按伊茲巴什公式進行計算，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 護底范圍及厚度設(shè)計

護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，需考慮護底下游端覆蓋層的溯源沖刷對護底體系的安全影響。

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

安谷電站截流護底工作在圍堰預(yù)進占之前完成，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)水力計算結(jié)果，單戧單向立堵截流最大流速高達6.47m/s，拋石塊徑按以下公式計算：

(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，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，兩個戧堤的截流難度都同時小于單戧堤截流。在保證下戧堤截流難度小于單戧堤截流的前提下，使下戧堤壅水達到能夠改善上戧堤合龍時的最大難度，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用的關(guān)鍵，要做到按計劃實現(xiàn)落差分配是不易的，這主要是因為影響落差分配的因素很多，如截流河段的比降、河床是否可沖、護底的條件及可靠性、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，采用雙戧堤截流，會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)起巨大的拆除費用。因此，雙戧堤截流時效性強，在施工組織上，其難度不亞于工程建設(shè)本身，同時在經(jīng)濟上也花費很大。

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

為減小截流料物流失，在截流施工前，通過設(shè)置施工平臺，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)條件進行計算。設(shè)置攔石樁后，當(dāng)水流流經(jīng)樁體之間時，束窄了河床，水流由于產(chǎn)生側(cè)向收縮，在進口處形成水面降落，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行計算。

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算：

(2)

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

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，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，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，以b/B=0.2代之；當(dāng)P1/H>3時，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)，按式計算時可取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)；用式計算時，取b=b′,b′為邊孔凈寬，B=b′+2△，△為邊墩的計算厚度，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，在確定龍口護底寬度時，為減小預(yù)進占難度，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，使得護底寬度增加。同時，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，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)濟快捷。

梳齒截流時，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?；炷亮骟w單體粒徑滿足球化粒徑要求，同時施工成本低、效率高，采用常規(guī)型號施工機械即可滿足運輸、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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