陳 仁 峰

(四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617068)

0 引 言

導(dǎo)流明渠截流是水電工程施工過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，在水利水電工程建設(shè)中占有十分重要的地位[1-2]。截流是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其成敗直接影響著工程的工期、投資與效益，眾多學(xué)者針對導(dǎo)流明渠截流方案的可實施性、安全性和經(jīng)濟性展開了研究。如戴會超[3]、郭冬生[4]等為解決三峽工程導(dǎo)流明渠截流中一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，基于工程實際條件，對雙戧堤立堵截流施工技術(shù)、樞紐調(diào)度數(shù)學(xué)模型計算、水文監(jiān)測數(shù)字仿真系統(tǒng)和信息化集成等進行了詳盡的研究，所得成果成功地應(yīng)用于截流施工中，確保了三峽工程施工的順利進行。陳超敏等[5]通過水力學(xué)試驗與相應(yīng)計算分析，研究了烏江銀盤水電站龍口位置與寬度、堰頂高程與戧堤分段進占方案等截流施工相關(guān)參數(shù)，提出的導(dǎo)流明渠截流設(shè)計方案在施工中效果良好。韓春影等[6]介紹了觀音巖水電站三期截流的設(shè)計方案與施工程序，提出在流速較大段采用大塊石串凸出上游挑角進占等措施，在減小施工成本的同時也保證了截流的成功。孫來成[7]為規(guī)避導(dǎo)流明渠截流施工難點，提出將截流戧堤布置在靠近導(dǎo)流明渠進口處的河床底板上，且龍口軸線與導(dǎo)流明渠軸線平行布置的截流方法，為類似工程截流提供了參考。

可以看出，以上研究多為基于具體工程提出的導(dǎo)流明渠截流措施，或為針對某一截流施工中的難點提出的解決方案，這是因為每個工程都具有獨特的地形、氣候、水文等自然條件，必須根據(jù)實際工程的具體情況制定切實可行的導(dǎo)流明渠截流方案。金沙水電站導(dǎo)流明渠截流施工中存在眾多難點，例如：流量大、龍口流速快、落差大，明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑以致拋投料難以穩(wěn)定堆積以及截流施工難度大、施工效率低等。本文基于金沙水電站工程實踐，針對施工中的各項難點，研究相應(yīng)的技術(shù)措施，提出截流施工方案，并評估應(yīng)用效果。

1 工程概況

金沙水電站位于金沙江攀枝花河段，上游與觀音巖水電站銜接，下接銀江水電站。金沙水電站采用“左廠右泄”布置格局，即左岸布置電站建筑物，右岸布置泄洪、導(dǎo)流設(shè)施，電站總裝機容量為560 MW(4×140 MW)。樞紐建筑物從左至右依次為：魚道，河床式電站廠房，3個孔口尺寸為14.5 m×23.0 m(寬×高，下同)的泄洪表孔，縱向圍堰壩段，右邊布置的導(dǎo)流明渠在三期改建為2個孔口尺寸為14.5 m×23.0 m的泄洪表孔和1個6.0 m×15.0 m的生態(tài)泄水孔。

該工程施工期采用明渠分期導(dǎo)流方式，共分為3期：一期進行右岸導(dǎo)流明渠和混凝土縱向圍堰施工；二期進行主河床截流，在二期土石圍堰和混凝土縱向圍堰保護下施工3孔河床溢流壩段、廠房壩段和左岸非溢流壩段，水流從導(dǎo)流明渠下泄；三期進行明渠截流，在三期上、下游枯水期土石圍堰和混凝土縱向圍堰保護下施工三期基坑內(nèi)的2孔右岸溢流壩段和右岸非溢流壩段。三期上下游圍堰為4級建筑物，擋水時段為11月至次年5月(5%最大瞬時洪水流量3 500 m3/s)，其中11～12月由河床2個表孔、1個表孔缺口和4個排沙孔泄流，1～4月由河床2個表孔和4個排沙孔泄流，5月由河床3個閘門安裝完成的表孔和4個排沙孔泄流。

2 導(dǎo)流明渠截流施工難點

綜合金沙水電站水文地質(zhì)資料、前期研究成果與現(xiàn)場施工條件，進行三期導(dǎo)流明渠截流施工主要有以下難點。

(1) 流量大、龍口流速快、落差大。根據(jù)前期模型試驗，當(dāng)截流流量Q=1 470 m3/s時，龍口中心線處最大垂線平均流速達(dá)6.93 m/s，龍口下游的最大流速為9.31 m/s，截流最終落差為4.53 m，水力學(xué)指標(biāo)非常高，截流難度大。

(2) 拋投料難以穩(wěn)定堆積。在導(dǎo)流明渠內(nèi)進行截流施工，過水面相對狹窄，且存在水流深、流速大等問題，同時明渠底板及兩側(cè)均為混凝土面，糙率較低，拋投料難以穩(wěn)定堆積，容易流失。

(3) 備料任務(wù)艱巨。導(dǎo)流明渠截流過程中塊石料、特殊物料需求量大，粒徑要求高，需二次篩選滿足截流要求的大塊石及特大塊石，并進行混凝土六面體、鋼筋石籠、合金網(wǎng)兜加工，考慮備料場地有限，備料任務(wù)十分艱巨。

(4) 施工難度大、施工效率低?？紤]該工程總體施工布置，導(dǎo)流明渠截流戧堤填筑施工道路必須經(jīng)上游索道橋至戧堤堤頭，上游索道橋通行能力有限(雙車載重通行，限制總重45 t/車，間距100 m；單車載重通行，總重55 t/車，車輛限速5 km/h)，上游索道橋右岸橋頭至戧堤堤頭道路狹窄且坡度陡，上述條件均制約著導(dǎo)流明渠截流施工強度。

3 導(dǎo)流明渠截流技術(shù)措施研究

為解決金沙水電站導(dǎo)流明渠截流施工中的眾多難點，借鑒其他工程截流技術(shù)措施[8-11]，并結(jié)合金沙江水電站工程實踐經(jīng)驗，從以下6個方面進行導(dǎo)流明渠截流技術(shù)措施研究：① 綜合截流難度、施工工期和安全經(jīng)濟等多因素，確定合理的截流方案；② 提高截流摩擦阻力，以降低截流難度，提升截流效率；③ 改善分流條件，以保障截流施工順利實施；④ 調(diào)度協(xié)調(diào)上游電站，為導(dǎo)流明渠截流創(chuàng)造更好的截流條件；⑤ 防止堤頭塌滑；⑥ 多技術(shù)綜合保障，確保截流施工方案成功應(yīng)用。

3.1 確定合理截流方案

金沙水電站三期導(dǎo)流明渠截流時，2個表孔、1個表孔缺口與4個排沙孔同時泄流，泄流條件復(fù)雜，水力學(xué)計算相關(guān)參數(shù)難以選取，加之明渠截流落差超過4 m，明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑不利于拋投料的穩(wěn)定堆積，截流難度較大。為實現(xiàn)安全經(jīng)濟截流，制定合理的截流實施方案，決定開展截流物理模型試驗研究。

截流模型試驗包括分流建筑物泄流能力試驗和截流試驗。分流建筑物泄流能力試驗需實現(xiàn)以下目標(biāo)：將截流戧堤閉氣，比較攔沙坎缺口寬度對分流設(shè)施分流能力的影響，推薦合理的缺口寬度；觀測2個表孔、1個表孔缺口與排沙孔的泄流能力，繪制泄流能力曲線，為計算截流進占過程分流建筑物分流比提供依據(jù)；驗證戧堤頂高程設(shè)計的合理性，計算閉氣落差。截流試驗研究則通過觀測不同截流方案進占過程中各口門寬度的流態(tài)、水位及截流落差、戧堤堤頭及龍口流速、所需拋投料粒徑、換料時口門寬、拋投料流失情況、堤頭坍塌情況等，分析各截流方案的可行性和優(yōu)劣，進一步優(yōu)化截流物料選擇和戧堤軸線，將戧堤軸線上調(diào)至縱向圍堰上游端頭部位且與縱向圍堰近平行布置，并綜合截流難度、施工工期和安全經(jīng)濟等多方面因素確定合適的截流方案。根據(jù)截流模型試驗優(yōu)化確定的截流方案平面布置如圖1所示。

圖1 金沙水電站導(dǎo)流明渠截流平面布置Fig.1 Plane layout of open diversion channel closure of Jinsha Hydropower Station

模型試驗成果表明：① 截流戧堤合龍后的戧堤落差均小于閉氣落差，設(shè)計流量Q=1 470 m3/s時，合龍后戧堤落差為4.52 m，略小于截流總落差4.97 m；流量Q=950 m3/s時，截流合龍終落差為3.94 m，略小于截流總落差4.40 m；流量Q=480 m3/s時，截流合龍終落差為2.43 m，小于截流總落差3.12 m。② 在設(shè)計流量Q=1 470 m3/s時，龍口寬由B=103 m(b=63 m)逐漸束窄至合龍過程中，堤頭及龍口流速逐漸減小，其中B=79～53 m(b=39～13 m)段為截流最困難段。在B=73 m(b=33 m)時，龍口中心線處最大垂線平均流速達(dá)5.46 m/s，龍口下游的最大流速為9.31 m/s。在B=63 m(b=23 m)時，堤頭坡腳已經(jīng)與縱向圍堰相交，隨著水深的逐漸減小，雖然流速依舊較大，因有石料墊底，拋投材料抗沖穩(wěn)定能力增加，截流難度顯著下降。

3.2 提高截流摩擦阻力

金沙水電站導(dǎo)流明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑，不利于拋投料的穩(wěn)定堆積，大大增加了截流難度。在截流實施過程中，為有效克服此不利因素，降低截流難度，提升截流效率，提出了以下提高截流摩擦阻力的技術(shù)措施：① 明渠底板預(yù)先埋設(shè)工字鋼；② 明渠側(cè)墻預(yù)先埋設(shè)錨鉤；③ 靠近縱向圍堰混凝土光滑面一側(cè)先行施工墩頭戧堤。通過上述措施的應(yīng)用，大大增加了導(dǎo)流明渠過流斷面內(nèi)的摩擦阻力，提高了截流過程中拋投料堆積的穩(wěn)定性，進一步降低了截流難度，為成功截流創(chuàng)造了有利條件。

3.3 改善分流條件

金沙水電站導(dǎo)流明渠截流期間由河床2個表孔、1個表孔缺口和4個排沙孔進行泄流分流：2個表孔頂部高程為999.0 m，寬14.5 m；1個表孔缺口頂部高程為990.0 m，寬11.0 m；4個排沙孔進口高程為975.9 m，尺寸為8.3 m×5.0 m(寬×高)，出口高程為989.1 m，尺寸為6.0 m×2.0 m(寬×高)。

由于工程分流條件差，在該情況下進行截流施工難度較大。根據(jù)模型試驗結(jié)果，提出在二期上游圍堰(拆除至高程997.0 m)設(shè)置一處攔沙坎缺口，攔沙坎在流量Q為950 m3/s和480 m3/s時，可有效降低截流難度。上游攔沙坎缺口具體布置為：在靠近縱向圍堰一側(cè)布置，缺口中心線正對1號表孔；缺口底寬12 m，底部高程為990.0 m，兩側(cè)坡比為1∶1.5。在施工過程中可根據(jù)二期圍堰開挖情況適當(dāng)加寬，以進一步改善分流條件，降低截流難度。

3.4 聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化截流施工條件

過壩流量的大小將直接影響金沙水電站導(dǎo)流明渠截流的難易程度，而過壩流量又直接受上游觀音巖水電站運行調(diào)控影響(1臺機組發(fā)電時Q=645 m3/s，5臺機組發(fā)電時Q=3 225 m3/s，可調(diào)控范圍大)。在導(dǎo)流明渠三期截流期間，項目建設(shè)單位積極主動與觀音巖電廠溝通協(xié)調(diào)，在截流戧堤合龍的時段內(nèi)，進行合理的運行調(diào)控，減小了觀音巖電站的下泄流量，為金沙水電站導(dǎo)流明渠截流創(chuàng)造了在小流量條件下進行截流的條件，能夠極大程度降低截流難度，加快截流施工進度，保證施工效率。

3.5 防止堤頭塌滑

為防止拋投時堤頭坡面失穩(wěn)，提出以下綜合措施。

(1) 堤頭挑流和堰體尾隨拋投。在戧堤進占時，向上游角或同時向上、下游角凸出進占，挑開急流，形成戧端緩流區(qū)，以保護堤頭拋填進占，同時戧堤兩側(cè)的堰體及時跟進尾隨拋填，以防護進占戧堤側(cè)面坍塌事故的發(fā)生。

(2) 高強度進占拋投。在截流進占水力學(xué)條件最不利的情況下，加大拋填強度，突擊進占，克服不利的水力學(xué)條件，同時高強度拋填對于減輕堤頭坍塌程度也有直接作用。

(3) 變換堤頭拋投方法。進占初期采取自卸汽車直接卸料拋投的方法。隨著拋投的推進，堤頭邊坡逐漸變陡，汽車直接拋投已不適用，這時可改用汽車堤頭集料，推土機趕料拋投的方法。隨著堤頭邊坡的進一步變陡，雖已大于臨界坡度，但顆粒咬合作用的存在不會讓堤頭坍塌，這時改用汽車載大塊石沖砸拋投的方法可以順利完成進占拋投工作。

(4) 誘導(dǎo)坍塌。當(dāng)戧堤堤頭坡度大于填料的自然穩(wěn)定坡度并接近于臨界坡度時，堤頭有坍塌風(fēng)險，采用大塊石拋投卸料沖砸實施誘導(dǎo)坍塌，人為提前消除風(fēng)險，避免在拋投時自然坍塌可能造成的機毀人亡安全事故，保障施工人員的安全。

3.6 綜合技術(shù)保障

為確保實際施工中金沙水電站導(dǎo)流明渠截流的順利實施，可在工程現(xiàn)場采取以下措施綜合保障施工。

(1) 施工前組織專家審查截流方案。為全面評估金沙水電站導(dǎo)流明渠截流方案的可行性和安全性，項目建設(shè)單位可提前組織專家對截流方案進行審查，對截流實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重難點進行充分討論，提前預(yù)判施工過程中可能存在的風(fēng)險，并提出針對性解決措施，以便施工時能夠及時應(yīng)對突發(fā)情況，減小或規(guī)避發(fā)生施工事故的風(fēng)險。

(2) 充分完成備料工作。該工程導(dǎo)流明渠截流拋投量大，拋投強度高且持續(xù)時間長，截流物料的需求量大、供料保證性要求高，且導(dǎo)流明渠過流條件對截流物料提出了高要求，因此在施工前以及整個施工過程中需要保證備料工作的充分完成，以免影響施工進度。

(3) 加強截流組織和各項保障工作。在施工現(xiàn)場設(shè)置截流指揮中心，根據(jù)截流工程的任務(wù)和特點，成立截流指揮中心工作組，并設(shè)置技術(shù)組、監(jiān)測組、施工組、資源組、后勤組、應(yīng)急救援組，在施工過程中，各工作組各司其職、各負(fù)其責(zé)、有序組織開展導(dǎo)流明渠截流前后的各項工作，確保技術(shù)服務(wù)充分、監(jiān)測緊跟、施工有序、資源充足、后勤保障有力、應(yīng)急救援及時，以保障截流實施的有序開展。

4 結(jié) 語

金沙水電站導(dǎo)流明渠截流流量大，龍口流速快、落差大，明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑以致拋投料難以穩(wěn)定堆積，同時現(xiàn)場施工條件復(fù)雜，截流難度大，工期緊張。為此，開展了導(dǎo)流明渠截流技術(shù)措施相關(guān)研究，通過開展截流物理模型試驗確定了關(guān)鍵水力學(xué)參數(shù)并優(yōu)化截流物料選擇和戧堤布置位置，提出了合理的截流方案。同時，為解決施工中的難點，提出了提高截流摩擦阻力、改善分流條件、控制下泄流量、防止堤頭塌滑以及其他綜合技術(shù)保障措施，有效降低了截流施工難度，大大提升截流施工效率。