楊永忠 姚燕舞 劉軍 于琪

摘要：為合理確定孤山航電樞紐工程二期截流各項(xiàng)水力學(xué)參數(shù)并制定合理的截流方案，使用丹麥水力研究所（DHI）研制的 MIKE 21 FM 平面二維非恒定流水流模型進(jìn)行截流水動(dòng)力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算成果優(yōu)化截流設(shè)計(jì)及施工方案。采用雙向立堵法進(jìn)行圍堰合龍，左右岸同步進(jìn)占，并以右岸向左岸進(jìn)占的方式為主，成功實(shí)現(xiàn)了二期截流?？偨Y(jié)了此次截流取得的成功經(jīng)驗(yàn)，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：截流設(shè)計(jì)； 水力學(xué)計(jì)算； 圍堰施工； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.007

文章編號(hào)：1006-0081（2023）06-0036-06

0 引 言

截流是水電工程施工過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，在水電工程建設(shè)中占有重要地位［1-2］。截流過(guò)程中常面臨各種困難，如截流流量大、準(zhǔn)備時(shí)間短、準(zhǔn)備材料多、設(shè)備投入量大等［3］，如沒(méi)有全面分析這些不確定因素，很有可能導(dǎo)致截流失敗。立堵法截流相較于平堵法具有顯著優(yōu)勢(shì)，中國(guó)修建的一些大型水利水電工程截流大多采用此種方法。

近年來(lái)，諸多學(xué)者圍繞大江截流設(shè)計(jì)和施工開(kāi)展了應(yīng)用研究，利用水力學(xué)試驗(yàn)與相應(yīng)分析計(jì)算［4］，取得了系列成果。 三峽工程［5］、金沙水電站［6-7］、雙江口水電站［8］、向家壩水電站［9］等工程的順利截流，為大江截流技術(shù)與理論的發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。在掌握已有資料和技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究如何將截流失敗率降低至最小具有重要意義。本文結(jié)合漢江孤山航電樞紐工程實(shí)踐，采用立堵法截流，以模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，針對(duì)施工中截流龍口設(shè)計(jì)、拋投材料備料等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并選擇合理的施工方案。

1 工程概況

孤山航電樞紐工程壩址位于丘陵區(qū)，壩址河谷呈U型，左河道河床高程158～161 m，右河道高程155～159 m，枯水期巖質(zhì)江心洲寬約222 m，左河道寬 80 m、水深一般為1.5 m，右河道寬146 m、水深一般為5 m。樞紐工程主要由泄水建筑物、電站廠房、通航建筑物、魚(yú)道和兩岸擋水壩組成。

本工程采用分期圍堰的施工導(dǎo)流方式。一期利用束窄的原河床導(dǎo)流，二期利用一期已修建好的泄水閘導(dǎo)流，二期全年土石圍堰建筑物級(jí)別為4級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為P＝5％，瞬時(shí)最大流量24 800 m3/s。

2 截流設(shè)計(jì)

2.1 截流時(shí)段及截流標(biāo)準(zhǔn)

原定于2月截流推遲到4月底進(jìn)行，臨近汛期，截流風(fēng)險(xiǎn)加大，難度增高。項(xiàng)目缺乏4月10%頻率月平均流量資料，由于4月和11月流量數(shù)據(jù)基本相同，因此按照11月10%頻率月平均流量895 m3/s作為截流設(shè)計(jì)流量。相對(duì)原2月的截流設(shè)計(jì)流量320 m3/s增加了近2倍。

2.2 截流總體規(guī)劃

參考其他工程截流技術(shù)措施［10-13］，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定截流總體方案。

2.2.1 截流備料規(guī)劃

龍口右側(cè)為混凝土縱向圍堰及正在拆除的一期全年土石圍堰，利用已建成右區(qū)11孔泄水閘過(guò)流，

龍口左側(cè)為左岸公路及堆積填料。一期圍堰總拆除量80萬(wàn) m3，二期圍堰總填筑量60萬(wàn) m3，戧堤填筑及合龍拋投料利用一期圍堰拆除料，且右岸羅行灘滑坡壓腳體有約3萬(wàn)m3塊石具備拆除條件，可用作截流塊石備料。

上游圍堰施工進(jìn)度較快，施工環(huán)境較好，首先進(jìn)行上游圍堰截流，下游圍堰在靜水中截流，施工難度較小?？v向圍堰端頭處為本次截流主要存料平臺(tái)，同時(shí)縱向圍堰處一期圍堰裹頭防護(hù)有0.5萬(wàn)m3塊石，截流時(shí)可直接使用。為充分利用一期下游圍堰開(kāi)挖過(guò)程中的3萬(wàn)m3大塊石等存料，在下游圍堰設(shè)置存料點(diǎn)，沿縱向圍堰填筑寬度18 m便道連接上下游圍堰，便道兼做存料平臺(tái)。上游圍堰截流時(shí)，上下游兩個(gè)作業(yè)隊(duì)通力合作，保證投入足夠強(qiáng)度的設(shè)備資源，提高進(jìn)占速度。

龍口右側(cè)的一期縱向土石圍堰能夠在江中形成施工平臺(tái)，可布置較多工程設(shè)備，同時(shí)利用孤山島高程較高、寬度大的天然特點(diǎn)，作為機(jī)械停放場(chǎng)及油料存放平臺(tái)。而左岸存料難度較大，運(yùn)距較遠(yuǎn)，需要將右岸拆除料通過(guò)孤山大橋運(yùn)至左岸，在圍堰進(jìn)占區(qū)域形成堆料平臺(tái)。

2.2.2 截流方式

為提高截拋投強(qiáng)度、減小截流歷時(shí)、降低截流難度，同時(shí)避免單向截流對(duì)左岸公路邊坡的沖刷，選用上游單戧雙向立堵截流方式，右岸進(jìn)占為主，左岸進(jìn)占為輔。

2.2.3 一期圍堰拆除形象進(jìn)度

截流前應(yīng)保證右側(cè)一期圍堰拆除至具備截流條件，根據(jù)地質(zhì)情況及土石方利用情況，選擇在6～11號(hào)閘孔位置進(jìn)行圍堰破堰工作。根據(jù)截流前一期圍堰能夠達(dá)到的拆除形象進(jìn)度，通過(guò)水力學(xué)計(jì)算校核是否滿(mǎn)足截流要求。確定在二期截流前，上游圍堰過(guò)流寬度達(dá)到120 m，底口高程不高于163 m，下游圍堰過(guò)流寬度達(dá)到110 m，底口平均高程159 m。一期圍堰截流前拆除形象進(jìn)度見(jiàn)圖1。一期圍堰一旦破堰進(jìn)水后，縱向圍堰將形成孤島，因此破堰前在島上存放2 d的油料以供截流備用。

2.3 截流水力學(xué)計(jì)算

水力學(xué)計(jì)算是為了研究合龍過(guò)程中泄流量、流速、落差、上游水位等水力學(xué)指標(biāo)隨龍口束窄寬度的變化規(guī)律，據(jù)此確定出合理的龍口分區(qū)方案，并依次計(jì)算各龍口分區(qū)內(nèi)拋投材料的粒徑和數(shù)量，為截流施工提供參考。

（1） 控制方程。本次計(jì)算采用丹麥水力研究所（DHI）研制的MIKE 21FM平面二維非恒定流水流模型。

水流連續(xù)方程如下：

zt+px+qy=s（1）

水流運(yùn)動(dòng)方程如下：

pt+x（p2h）+y（pqh）+ghzx+gphp2h2+q2h2c2-Ωq-E（2px2+2qy2）=six（2）

qt+y（q2h）+x（pqh）+ghzy+gqhp2h2+q2h2c2-Ωq-E（2px2+2qy2）=siy（3）

式中：z為水位;p、q分別為x、y方向單寬流量；h為水深;s為源、匯項(xiàng);six、siy分別為源、匯項(xiàng)在x、y方向的分量;c為謝才阻力系數(shù);Ω為科氏力;E為渦黏擴(kuò)散系數(shù)。

（2） 模型計(jì)算方法。MIKE 21 FM模型采用有限體積法求解。首先在空間上將連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分，得到連續(xù)方程和水流運(yùn)動(dòng)方程的守恒形式，然后對(duì)守恒形式的方程進(jìn)行空間離散。對(duì)于空間離散的每個(gè)單元，變量存儲(chǔ)在單元的中心，單元與單元之間面上的空間采用高階格式計(jì)算斷面上的通量，為保持穩(wěn)定采用了TVD-MUSCL限制器。在時(shí)間離散上可采用一階Euler 法隱格式或二階的龍格-庫(kù)塔方法。方程離散后，采用分塊對(duì)角矩陣的追趕法求解線(xiàn)性方程組。

模型糙率系數(shù)的選取需經(jīng)過(guò)模型的校驗(yàn)確定。經(jīng)校驗(yàn)，工程河段主槽糙率系數(shù)取值范圍為0.020～0.025，灘地驗(yàn)證取值范圍為 0.030～0.040。渦黏系數(shù)根據(jù) Smagorinsky 公式如下：

E=C2sΔ2（ux）2+12（uy+vx）2+（vy）2（4）

式中：u 、v分別為x、y分別方向垂線(xiàn)平均流速;Δ為網(wǎng)格間距;Cs為計(jì)算參數(shù)，0.25 ＜Cs ＜1.0 。為保證滿(mǎn)足計(jì)算穩(wěn)定收斂條件，本次模型計(jì)算中最大時(shí)間步長(zhǎng)取3 s。動(dòng)邊界處理方面，由于計(jì)算區(qū)域中存在隨潮位漲落而變化的動(dòng)邊界，為保證模型計(jì)算的連續(xù)性，采用“干濕處理技術(shù)”，當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)水深小于0.001 m時(shí)，該計(jì)算節(jié)點(diǎn)不參加計(jì)算：當(dāng)水深大于0.01 m時(shí)，該計(jì)算節(jié)點(diǎn)重新參與計(jì)算；當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)水深位于0.001～0.01 m之間時(shí)，只求解連續(xù)性方程，不求解運(yùn)動(dòng)方程。

（3） 模型計(jì)算區(qū)域。模型范圍為孤山航電樞紐工程及其上下游部分河道，主河道長(zhǎng)度約3.9 km，計(jì)算范圍見(jiàn)圖2。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用三角形網(wǎng)格剖分，在泄水閘、圍堰位置進(jìn)行局部加密。

（4） 拋石粒徑計(jì)算依據(jù)。參考DLT 5741-2016《水電水利工程截流施工技術(shù)規(guī)范》，計(jì)算公式如下：

d=vmaxk2gρm-ρρ2（5）

W=π6d3ρm（6）

式中：d為拋投體粒徑，折算成圓球體的直徑，m；vmax為龍口平均流速，m/s；k為綜合穩(wěn)定系數(shù)，取1.2；g為重力加速度，m/s2；ρm為拋投體的密度，t/m3；ρ為水的密度，t/m3；W為立堵截流拋投體質(zhì)量，t。

2.4 截流戧堤布置與設(shè)計(jì)

二期圍堰截流戧堤為梯形斷面，戧堤頂高程不小于截流設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)最高水位（166.1 m）加上一定安全超高，圍堰設(shè)計(jì)戧堤平臺(tái)高程為167 m，選定截流戧堤頂部高程不低于167 m。

截流戧堤與上游土石圍堰填筑體相結(jié)合，戧堤布置在圍堰軸線(xiàn)下游側(cè)，戧堤上游側(cè)坡腳線(xiàn)距離圍堰軸線(xiàn)7 m，以不影響圍堰高噴防滲墻施工為原則。迎水面及背水面坡比均為1∶1.5，戧堤頂寬12 m，可滿(mǎn)足3輛20 m3自卸汽車(chē)同時(shí)卸料。

2.5 預(yù)進(jìn)占和龍口寬度

（1） 截流戧堤地質(zhì)情況。

戧堤軸線(xiàn)處河床地形總體上呈左高右低態(tài)勢(shì)，靠一期的縱向圍堰坡腳處河床高程為157.9～160.1 m，靠右岸河床高程約為164.1～170.0 m，170.0 m以上為石渣堆積層。一期縱向圍堰坡腳處覆蓋層厚約0.5～7.0 m，左岸覆蓋層約4.7～17.5 m，覆蓋層主要為卵礫石夾砂和砂層，局部夾有崩石、塊石。

（2） 截流預(yù)進(jìn)占及龍口參數(shù)確定。

在綜合分析地質(zhì)、交通、水力學(xué)條件及料源等因素后確定龍口位置。龍口選擇在河床相對(duì)較高、水深較淺、覆蓋層較薄或基巖裸露的部位。預(yù)留龍口寬度可避免預(yù)進(jìn)占拋投料和河床覆蓋層流失并減少龍口拋投工程量，降低施工強(qiáng)度并縮短合龍整體歷時(shí)。

綜合以上因素，結(jié)合模型試驗(yàn)和水力學(xué)計(jì)算成果（表1），截流龍口位置選擇在距離縱向圍堰58.2 m處，截流長(zhǎng)度94.4 m，其中預(yù)進(jìn)占段42.2 m（左岸預(yù)進(jìn)占長(zhǎng)度14 m，右岸預(yù)進(jìn)占長(zhǎng)度28.2 m），龍口段長(zhǎng)度52.2 m（頂口寬度），采用雙向立堵法進(jìn)行圍堰合龍工作，左右岸同步進(jìn)占，并以右岸向左岸進(jìn)占的方式為主，截流龍口布置見(jiàn)圖3。

3 截流準(zhǔn)備及施工

3.1 施工準(zhǔn)備

截流前協(xié)調(diào)上游水庫(kù)降低下泄流量進(jìn)行預(yù)進(jìn)占段施工工作，并確認(rèn)上游水庫(kù)合龍期間，下泄流量按照895 m3/s以下控制，確保滿(mǎn)足以下要求：① 右側(cè)一期圍堰拆除至具備截流條件;② 截流施工道路通暢;③ 截流料準(zhǔn)備充足，機(jī)械設(shè)備、人員到位，施工準(zhǔn)備工作完成;④ 對(duì)左岸截流涉及到的施工區(qū)域及時(shí)發(fā)布通告，確保施工不受阻。

3.2 截流備料

根據(jù)計(jì)算的各項(xiàng)截流參數(shù)，利用當(dāng)?shù)乜捎糜诮亓鞯牟牧?、裝運(yùn)及拋投條件等進(jìn)行截流備料。戧堤進(jìn)占區(qū)段如下。① Ⅰ區(qū)龍口由52.5 m縮減至35.0 m范圍，拋填料粒徑為20 cm以上塊石混合料，并拋投少量大塊石，拋填總量為4 589 m3，其中考慮15%的流失量。② Ⅱ區(qū)龍口由35.0 m縮減至20.0 m范圍，隨著不斷向龍口進(jìn)占，龍口流速增大至最大流速8.0 m/s。通過(guò)模擬數(shù)據(jù)，此階段為截流最困難時(shí)段，拋投料流失較為嚴(yán)重，除了拋投大于30 cm的塊石，還需拋投部分特大塊石及鋼筋石籠。拋填工程量為4 284 m3，其中考慮20%的流失量。③ Ⅲ區(qū)從龍口寬度20.0 m進(jìn)占至0 m，龍口流速逐漸減小至0 m/s，龍口形狀為三角形，此時(shí)龍口流量已經(jīng)很小，截流進(jìn)入最后合龍階段，拋填料粒徑為20～25 cm塊石即可滿(mǎn)足要求，拋填工程量為4 851 m3，其中考慮10%的流失量。以右岸備料為主，離截流戧堤近，且不影響截流施工，主要截流材料備料點(diǎn)為上游縱向圍堰裹頭填筑料及一期圍堰堰身填筑料，施工便道處存料及下游圍堰裹頭處存料運(yùn)距不超過(guò)500 m，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)需拋投石籠，儲(chǔ)備987 m3石籠。截流龍口拋投材料設(shè)計(jì)工程量和拋填強(qiáng)度見(jiàn)表2。

3.3 非龍口段預(yù)進(jìn)占施工

2020年4月23日預(yù)留龍口頂口寬度52.2 m，底口寬度40 m，期間拋投料以石渣混合料為主，并拋投部分大塊石，堤頭基本無(wú)流失現(xiàn)象。

在左右岸戧堤預(yù)進(jìn)占至龍口部位時(shí)采用大塊石或石籠進(jìn)行防護(hù)。預(yù)進(jìn)占時(shí)需控制圍堰軸線(xiàn)兩側(cè)4 m范圍內(nèi)填料粒徑，避免大塊料的集中及特大石的出現(xiàn)，降低后續(xù)圍堰防滲墻施工難度，保證防滲墻施工質(zhì)量［14］。

3.4 龍口段施工

2020年4月24日08∶18開(kāi)始進(jìn)行龍口段施工，實(shí)際施工參數(shù)如下：龍口寬度為52.2 m，對(duì)應(yīng)龍口底寬40 m；上游實(shí)際來(lái)水流量805 m3/s，上游水位165.54 m。該階段主要采取的是全斷面進(jìn)占方式，拋投料以中石及石渣料為主，參用部分大塊石。龍口段截流進(jìn)展順利，左岸戧堤拋投強(qiáng)度約550 m3/h，右岸戧堤拋投強(qiáng)度約1 400 m3/h。

至11∶15共進(jìn)占19.1 m，其中左岸進(jìn)占6 m，右岸進(jìn)占13.1 m，龍口剩余寬度33.1 m，上游水位165.82 m，流量803 m3/s，上下游水位差4 m，龍口進(jìn)占變得困難，拋投料流失量增加，截流進(jìn)入相對(duì)困難時(shí)段。為有效控制流失，采用大塊石料及合金網(wǎng)兜石籠凸出上挑腳進(jìn)占，中石及石渣混合料在戧堤中部跟進(jìn)拋投［15］。

后續(xù)龍口流速和落差進(jìn)一步增大，直到12∶12，普通石渣料難以自穩(wěn)，此區(qū)段為合龍最困難的區(qū)段，改用特大塊石及大塊石進(jìn)占，同時(shí)在戧堤上游拋投鋼筋石籠及四面體。采用凸出上游挑角的進(jìn)占方法，在上游角與戧堤軸線(xiàn)夾45°角的部位集中拋投特大塊石及特種材料（以鋼筋石籠為主），使堤頭下游側(cè)形成回流緩流區(qū)，再拋投中小石及石渣料進(jìn)占。為加快進(jìn)占進(jìn)度、減少流失和下游側(cè)河床沖刷，選擇在上挑角進(jìn)占同時(shí)輔以上下挑角交替進(jìn)占，中間填一般石料。

13∶05，隨著分流比的增長(zhǎng)，龍口流速開(kāi)始下降，戧堤的進(jìn)占速度明顯加快，右岸戧堤最高進(jìn)占速度達(dá)到了6 m/h。至13∶58，龍口剩余寬度為19 m，截流難度明顯降低，左右岸全面進(jìn)占。15∶40完成合龍，截流共歷時(shí)7.4 h，截流過(guò)程中各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)參見(jiàn)表3。

工程共投入16臺(tái)大型挖裝設(shè)備，46輛運(yùn)輸設(shè)備，拋投總量12 895 m3。合龍后及時(shí)將圍堰加寬加高至高程172 m（頂寬12 m），以達(dá)到臨近汛期初步擋水條件；采用石渣料填筑，填料來(lái)自一期圍堰左側(cè)部分拆除料。

3.5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1） 密切關(guān)注天氣、水文情況，在條件允許下，盡早進(jìn)行截流工作；做好上游水庫(kù)調(diào)節(jié)工作，控制截流期間下泄流量。

（2） 大型水電工程截流施工關(guān)系重大，需通過(guò)開(kāi)展截流模型試驗(yàn)研究，充分考慮可能出現(xiàn)的最不利工況，做好施工準(zhǔn)備工作。截流前盡量加寬一期圍堰過(guò)流段寬度，增加一期泄流能力，減少二期圍堰截流難度。二期下游圍堰截流前盡可能向前進(jìn)占，以改善上游圍堰截流條件。

（3） 進(jìn)占前，根據(jù)流量和觀察的流速情況，分別采用挖機(jī)拋投單個(gè)大塊石和石籠，在其上使用拴繩跟蹤方法測(cè)試流速流態(tài)，以確定戧堤進(jìn)占的時(shí)機(jī)、流量控制標(biāo)準(zhǔn)，并驗(yàn)算計(jì)算成果，進(jìn)一步確認(rèn)拋投料粒徑大小等參數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

截流工程施工面臨截流流量標(biāo)準(zhǔn)高、截流流速

大、分流條件差、 拋投強(qiáng)度大等技術(shù)難題。在吸收

截流模型試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)水力學(xué)計(jì)算，確定合理截流參數(shù)，根據(jù)漢江河道特點(diǎn)以及一期圍堰拆除可能出現(xiàn)的不利情況，制定合理的截流方案，從最不利角度實(shí)施截流準(zhǔn)備工作。實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)精心組織、有序安排，成功實(shí)現(xiàn)了二期截流，為類(lèi)似工程的截流設(shè)計(jì)施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

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（編輯：唐湘莤，張 爽）

Study on cofferdam construction scheme design of Gushan Navigation and

Hydropower Project

YANG Yongzhong1，YAO Yanwu1，LIU Jun2，YU Qi2

（1.Changjiang International Water Conservancy and Hydropower Engineering Construction Co.，Ltd.，Shiyan 442000，China；

2.Hanjiang Gushan Hydropower Development Co.，Ltd.，Shiyan 442000，China）

Abstract：

In order to reasonably determine the hydraulic parameters for the second phase closure of Gushan Navigation and Hydropower Project，and to develop a reasonable closure scheme，using MIKE 21 FM two-dimensional unsteady flow model developed by Danish Hydraulic Research Institute （DHI） to calculate the closure flow dynamics，and to optimize the closure design and construction scheme according to the calculation results.Bi-directional advancing was used for cofferdam closure construction，advancing from both left and ride side and dominated by the way of advancing from right to left.The second phase closure was successfully achieved，and the successful experience of this closure was summarized.The research results can provide reference for the design and construction of similar projects．

Key words：

closure design； hydraulic calculation； cofferdam construction；Gushan Navigation and Hydropower Project