齊 強 白 成 鮑石平

(中國水利水電第四工程局有限公司,青海 西寧 810000)

1 工程概況

新集水電站樞紐工程位于漢江中游河段湖北省襄陽市境內(nèi),壩址位于襄陽市的白馬洞,上距王甫洲樞紐約48.0km(水路距離為40.80km),下距崔家營樞紐約63.5km(水路距離為41.70km),是漢江中下游規(guī)劃開發(fā)梯級之一。開發(fā)任務(wù)為發(fā)電、航運、水資源和生態(tài)環(huán)境保護,水庫建成后,還可改善庫區(qū)灌溉用水條件[1]。

新集水電站為Ⅱ等大(2)型工程,正常蓄水位76.23m;總裝機容量120MW;年發(fā)電量5.09億kW·h;航道標準為Ⅲ級,船閘設(shè)計標準1000t級。主要建筑物有泄水閘、電站廠房、船閘、土石壩、魚道等。

第一期縱向圍堰布置在主河床左側(cè)漫灘,電站廠房、泄水閘、船閘等主體建筑物均布置在此區(qū)域。一期由右側(cè)主河床導流和通航,設(shè)計流量12000m3/s,上、下游水位分別為73.35m和71.49m。二期主河床截流,不設(shè)圍堰圍護,直接填筑土石壩,采用已建成的24孔泄水閘導流。同時一期基坑進水前,下放電站進水口檢修閘門及尾水事故檢修閘門擋水,繼續(xù)進行機組安裝。二期土石壩施工期為11月至次年5月,洪水標準選用10%頻率11月至次年4月洪峰流量3200m3/s,相應(yīng)上游水位67.94m,下游水位67.60m。

新集水電站工程于2020年12月16日開工;2021年4月30日完成一期圍堰施工;2021年9月2日首倉混凝土開盤澆筑;2022年9月9日泄水閘24孔弧形閘門安裝完成;2022年10月30日壩頂交通貫通。合同工期要求2022年11月中下旬進行主河床截流,2023年5月1日第一臺發(fā)電機組發(fā)電,2023年10月31日第四臺發(fā)電機組發(fā)電,2024年1月31日工程完工。

1.1 水文氣象

漢江流域暴雨多出現(xiàn)在7—9月,流域洪水的時空分布與暴雨一致,夏、秋季洪水分期明顯,夏季洪水歷時較短,峰高量大。新集水電站壩址天然施工洪水設(shè)計成果、多年平均流量、水位-流量關(guān)系見表1～表3。

表1 新集水電站洪水設(shè)計成果 單位:m3/s

表2 新集水電站多年平均流量

表3 新集水電站水位-流量關(guān)系

1.2 地形、地質(zhì)條件

壩址區(qū)屬平原型河谷地貌,河谷開闊,河道總寬約1350m,主河道位于右岸一側(cè),水面寬300～500m,水深一般為1.5～4.5m,受上游丹江口水利樞紐夜間調(diào)峰發(fā)電流量的影響,河水位一般會有0.5～1m的變幅。左岸為Ⅰ、Ⅱ級階地,Ⅰ級階地階面高程71～74m,Ⅱ級階地階面高程80～85m。右岸為丘陵地形,山頂高程85～120m,最高139.59m,臨江岸坡呈陡坡地形,坡度一般20°～40°。

主河床土石壩位于漢江右岸主河道一側(cè),地勢靠近船閘側(cè)最高,靠近右側(cè)最低,地勢有較大起伏,地面高程為57.39～69.32m。經(jīng)過幾年汛期沖刷,地面高程出現(xiàn)較大變化,2022年3月實測地形,河床底部高程最低為53.98m,較原地形降低3.41m。

2 主要特點及難點

根據(jù)工程水文地質(zhì)資料、截流水力學模型試驗成果、截流物料的種類及現(xiàn)場施工條件,二期截流存在以下特點和難點[2]:

a.工程壩址位于平原型深河谷地段,壩址上下游4km范圍內(nèi)河床呈左高右低,河谷靠右岸崗地一側(cè),擬導流的泄水閘位于左側(cè),泄水閘底板高程為63.2m,上下游河段4km為淺漫灘,上游淺漫灘平均高程為66.0m,而右岸漢江河床最低高程為53.98m,在枯水期水面高程為64.5m,河道來水全部經(jīng)右側(cè)河床下泄,天然分流條件差。

b.工程壩址區(qū)河床地質(zhì)、水文條件復雜,大部分河床為深厚砂卵石覆蓋層,抗沖能力弱。3號滑坡體臨近右岸河道,過度沖刷可能造成滑坡體失穩(wěn)。

c.右岸臨時交通道路狹窄且截流物料不足;龍口位于河床深槽位置,水深、流速大、流態(tài)復雜,小粒徑拋投料抗沖能力差難以穩(wěn)定,戧堤堤頭容易坍塌。

d.左岸砂石料、黏土巖、塊石、異型混凝土塊等拋投料充足,交通便利,作業(yè)面大,戧堤預(yù)進占可與右岸土石壩同步進行,形成寬戧進占的效果。

3 截流設(shè)計

3.1 截流時間及相應(yīng)流量

根據(jù)工期安排,結(jié)合模型試驗成果,考慮水文地質(zhì)情況、現(xiàn)場施工條件等因素[3-4],擬定2022年10月中旬開始圍堰拆除作業(yè),2022年11月下旬截流,截流設(shè)計流量取多年的11月平均流量878m3/s。

另依據(jù)《截流模型試驗報告》相關(guān)資料分析,在泄水閘Ⅰ區(qū)部位上游側(cè)至主河床范圍開挖一條寬100m、底高程63.2m的明渠,其余部位為66m高程;泄水閘至下游圍堰疏挖到63.5m,可局部改善分流條件。

3.2 截流方式

經(jīng)過截流模型水力學數(shù)據(jù)的研究,結(jié)合漢江新集水電站截流時左右岸現(xiàn)有的截流料儲量、施工道路布置、設(shè)備資源投入等因素,決定采用單戧立堵的方式進行截流,從左岸向右岸單向進占。右岸設(shè)40m裹頭,使截流過程中的高速水流對右岸坡腳及3號滑坡體沖刷的影響最小。

3.3 截流戧堤布置

根據(jù)設(shè)計藍圖可知截流戧堤為右岸主河床土石壩的一部分,布置在右岸主河床軸線的上游側(cè)。戧堤軸線在壩上0+45.9處,距右岸主河床防滲墻軸線44.9m。

根據(jù)導流建筑物的實際分流條件和過流能力可知,當截流流量為878m3/s時,分流后戧堤前水位約為66m,截流合龍后相應(yīng)的堰前水位約為67.77m,為滿足截流要求和施工安全,截流戧堤的堤頂高程定為69.0m。

3.4 戧堤斷面

為滿足截流戧堤的穩(wěn)定、截流填筑交通以及拋投強度的要求,堤頂寬度確定為21m,其最大填筑高度為15m,上游坡比為1∶1.5,下游坡比1∶1.5,堤頭推進形成自然坡,截流中需控制其推進坡比不陡于1∶1.25。戧堤斷面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 戧堤斷面結(jié)構(gòu) (高程單位:m;尺寸單位:cm)

3.5 龍口位置及寬度

根據(jù)水力計算及模型試驗成果,分析截流時的流態(tài)、上下游水位差、龍口流速、單寬流量、龍口沖刷和拋投強度以及流失率等水力學指標[5],確定左岸向右岸預(yù)進占271m,右岸向左岸進占40m,設(shè)置裹頭保護,形成60m寬的龍口。戧堤進占及龍口位置見圖2。

圖2 戧堤及龍口分區(qū)剖面圖

3.6 截流水力學指標的確定

為確保截流工作經(jīng)濟安全,并解決相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題,采用數(shù)學模型對截流相關(guān)數(shù)據(jù)進行了試驗研究?？紤]上游丹江口水庫的調(diào)蓄作用,截流時流量應(yīng)小于1480m3/s。試驗成果結(jié)合現(xiàn)場實際,在原地形、實測地形兩種地形邊界以及設(shè)計及實測兩種水位流量關(guān)系邊界條件下,對截流設(shè)計流量Q=2450m3/s、Q=1480m3/s、Q=878m3/s、Q=500m3/s四級流量下截流進占過程水力特性進行了測試及分析。其中Q=878m3/s截流設(shè)計流量對應(yīng)的龍口水力指標見表4。

表4 龍口段進占截流水力特性匯總(Q=878m3/s)

3.7 龍口分區(qū)及拋投物料

截流戧堤處河床寬度371m,根據(jù)各工況下的水力計算指標及拋投材料抗沖流速等數(shù)據(jù),將戧堤劃分為左岸預(yù)進占段271m、龍口段60m、右岸裹頭段40;龍口段分為龍口Ⅰ區(qū)、龍口Ⅱ區(qū)、龍口Ⅲ區(qū)。

截流材料的選擇需根據(jù)水力計算及截流模型試驗確定的指標,同時參照類似工程截流施工實踐經(jīng)驗,截流拋投材料分別選擇石渣料、大塊石、鋼筋(鉛絲)石籠及混凝土四面體。具體如下:

龍口Ⅰ區(qū):龍口寬度為60～40m,計算龍口平均流速為1.49～3.33m/s,最大流速為3.54m/s。計劃采用中小石料拋投即可。

龍口Ⅱ區(qū):龍口寬度為40～20m,計算龍口平均流速為3.33～2.23m/s,最大流速為3.6m/s。計劃采用中石、大塊石、混凝土塊、四面體及鋼筋(鉛絲)石籠等物料拋投。

龍口Ⅲ區(qū):龍口寬度為20～0m,計算龍口平均流速為2.23～0m/s,最大流速為3.6m/s。計劃拋投料主要為中石料、四面體及鋼筋(鉛絲)石籠等,并在合龍段可采用部分石渣料。

3.8 龍口護底

根據(jù)現(xiàn)場周邊實際地形及施工條件,龍口段平拋護底無條件實施;經(jīng)充分討論研究確定,不進行龍口護底,擬采用提高拋投料的粒徑、加大拋投強度等方式解決水流對河床的沖刷問題。

3.9 截流強度和施工設(shè)備

左岸預(yù)進占段長271m,計算填筑量94595m3,計劃工期28d,平均強度為3378m3/d。龍口段60m,計算拋投量32971m3,計劃歷時36h,平均強度916m3/h,高峰強度1465m3/h。右岸裹頭40m,計算拋投量12840m3,鋼筋石籠360個。計劃工期14d,前7天填筑,后7天主要吊裝鋼籠石籠。填筑平均強度1835m3/d,安裝強度52個/d,鋼筋(鉛絲)石籠需提前完成制作、裝填石塊。

為滿足截流拋投強度的要求,必須配備足夠的裝、挖、吊、運設(shè)備,優(yōu)先選用大容量、高效率、機動性好的設(shè)備。挖裝設(shè)備主要選用1.6～2.0m3的反鏟和裝載機,特大石、大石選用2.0m3液壓反鏟或16t汽車式起重機挖裝,中塊石及石渣料等選用2.0m3液壓反鏟和1.6m3液壓挖掘機挖裝,鋼筋(鉛絲)石籠、塊石串選用25t/16t的汽車式起重機吊裝。運輸設(shè)備主要選用25t自卸汽車。根據(jù)計算,需要25t自卸汽車共80輛,推土機3臺、挖裝設(shè)備14臺、汽車式起重機4臺、裝載機4臺、油料車2輛、灑水車2輛投入截流施工。

3.10 截流水情預(yù)報

水文氣象預(yù)報對截流工程十分重要,影響和制約截流的成敗。業(yè)主委托氣象臺專項預(yù)報,河床流量測報頻率為每五小時報一次。當流量變化大于50m3/s時,每2小時報一次,流量變化大于100m3/s時,每小時報一次。

截流前在左岸隔流堤上、下游端頭及泄水閘進出水口各設(shè)一組水位尺,共四組水位尺。預(yù)進占及截流期間分別派專人觀測水位,預(yù)進占每4小時觀測一次;龍口合龍期間每小時觀測一次,定時觀測。

截流時龍口測流速難度大,采用浮標測流速方法。用電子流速測讀儀和激光全站儀,隨時測讀流速和落差,觀測河流流態(tài)及河床沖淤情況,觀測拋投體被沖動的情況,觀測水位及龍口水力情況。

4 截流施工

4.1 截流備料

根據(jù)截流戧堤的布置及結(jié)構(gòu),戧堤填筑石料流失系數(shù)按1.5考慮則龍口段分區(qū)拋投工程量約為32971m3,預(yù)進占段石渣料及中石料約為94595m3,具體見表5。

為保證截流順利完成,應(yīng)對可能出現(xiàn)的不利工況(2450m3/s),結(jié)合歷年水情資料,龍口段備料系數(shù)按2～3考慮,則龍口拋投料總備料量為9.9萬m3。

4.2 截流道路設(shè)計

根據(jù)截流和圍堰填筑備料場規(guī)劃及現(xiàn)場實際條件,截流施工左岸交通主要利用未拆除部分圍堰堰頂碎石路面。主要道路寬度不小于15m,坡比不大于6%。

考慮截流時主要以左岸進占為主,在預(yù)進占時,同時填筑下游主體結(jié)構(gòu)的強夯平臺,形成開闊的作業(yè)平臺。

作業(yè)平臺主要用作戧堤填筑時各種截流備用料的運輸回車場以及大塊石、四面體、鋼筋(鉛絲)石籠的堆放。

4.3 截流施工策劃

為保障截流順利實施,項目部組織編寫了截流施工方案,并對每一個參與人員進行培訓并發(fā)放截流工作業(yè)指導書,確保每個小組、每個參與人員、每個崗位都能明確自己的職責。同時組織相關(guān)單位和公司的導截流專家和領(lǐng)導現(xiàn)場培訓指導,解決現(xiàn)場突發(fā)情況,確保截流順利完成[6-7]。

4.4 右岸裹頭段施工

按照右岸主河床的布置情況,截流戧堤為右岸主河床的一部分,布置在右岸主河床軸線的上游側(cè)。戧堤軸線在壩上0+45.9處,距右岸主河床防滲墻軸線44.9m。截流模型試驗成果顯示,本工程截流時因河床砂礫層較厚,隨著流量的逐步加大,對右岸及龍口段河床沖刷較為嚴重。為避免因預(yù)進占束窄河床后出現(xiàn)大的沖刷,對上游截流戧堤對應(yīng)的右岸堤頭預(yù)進占40m,進占采用不小于0.4m的石渣料進占,裹頭采用大塊石和鋼筋(鉛絲)石籠防護,鋼筋(鉛絲)石籠之間采用鋼絲繩進行整體連接。裹頭進占戧堤頂部高程為70～69m,頂部形成作業(yè)平臺,并在龍口截流前準備3000m3大塊石,以備龍口截流時應(yīng)急使用。

2022年10月17日開始右岸裹頭段進占施工,11月6日完成裹頭防護,右岸裹頭段施工完成。

4.5 預(yù)進占施工

左岸預(yù)進占長度為271m,按過水流量Q=878m3/s水力計算指標,平均最大平均流速1.49m/s。進占時266m之前采用砂礫石進占,預(yù)進占段剩余5m采用塊石含量較多的石渣料(0.4m以上粒徑)進占。

預(yù)進占段水力條件較好,流速較小,一般石渣料可填筑,前期填筑時3個卸料點進占不分先后、齊頭并進。接近龍口段時采用凸出上游挑角法進行填筑,減少拋投料的流失量。

預(yù)進占段進占后跟進主體土石壩強夯平臺的填筑,與戧堤結(jié)合形成寬戧效果,提高戧堤的穩(wěn)定性[8-9]。

2022年10月17日開始進占,2022年11月14日完成施工。

4.6 龍口段施工

龍口Ⅰ區(qū):龍口Ⅰ區(qū)主要采用凸出上游挑角法配合全斷面推進,施工時進展順利,歷時7h完成。

龍口Ⅱ區(qū):施工進占至龍口Ⅱ區(qū),戧堤前水位持續(xù)升高,流速迅速增大,龍口底部逐漸形成三角形,拋投料流失嚴重,左岸分流量又未達預(yù)期,進入截流困難段,進占困難?，F(xiàn)場實測流速為4.36～5.45m/s,龍口最大流速達6.3m/s。為保證截流順利進行,進占料全部采用0.7～1.0m大塊石料并配合異形混凝土塊(串)、鋼筋(鉛絲)石籠(串)及四面體進占(串),并進行上挑腳進占,戧堤軸線以及下挑腳適當跟進,同時拋投混凝土四面體和鋼筋石籠,并加大拋投強度,集中投料,用時15h完成。

龍口Ⅲ區(qū):龍口合龍至20m時,施工難度進一步加大,龍口水流流速實測量為6.3～7.62m/s,最大流速為7.62m/s,單寬流量和功率比較大,且落差逐漸增大,戧堤上下游水頭差達3m以上,進占異常緩慢。在此過程中,經(jīng)現(xiàn)場專家及領(lǐng)導研究決定繼續(xù)采用上挑腳進占,同時中間及下游及時跟進。上挑角拋投料用混凝土四面體5個以上連成一串,3串以上再用鋼絲繩連成一個整體,使用吊車、挖掘機、堆土機配合集中拋投,鋼筋(鉛絲)石籠和鋼絲網(wǎng)兜也采用同樣方法拋投,將其穩(wěn)定在堤頭上游,挑開水流;同時為減小堤腳流失率,中間及下游跟進時采用異形混凝土塊(串)、大塊石(串)拋投,達到固腳作用。用時17h順利合龍[10-11]。

2022年11月18日6時58分新集水電站開始龍口截流,至19日22時整龍口合龍,截流成功。歷時39h2min,截流時段流量為1020m3/s,實測最大龍口水深13.26m,龍口最大流速達7.62m/s,截流落差3.2m,戧堤頂部高程69.5m。截流戧堤拋投總量185525m3,龍口拋投量67464m3,最大小時拋投強度達到2568m3。實測分流流量及龍口水力學指標見表6。

表6 截流過程水流實測參數(shù)統(tǒng)計

5 結(jié) 語

從總體看,新集水電站截流施工滿足技術(shù)、經(jīng)濟及工期要求。施工前結(jié)合模型試驗成果及歷年水情資料,考慮了4種不同的流量工況,確定采用2450m3/s工況進行截流備料。事實證明這種考慮很有前瞻性。同時,利用一期圍堰拆除料進行龍口進占,有效減少了拋投料的流失量,降低了施工成本;截流布置、備料、設(shè)備與后期主體工程相結(jié)合,降低了截流風險,有效節(jié)約了施工成本;作業(yè)平臺及道路規(guī)劃合理,主體結(jié)構(gòu)斷面與戧堤同步回填形成寬戧,使截流時有寬闊的平臺,險情出現(xiàn)時有足夠的場地;道路通暢,為加大截流強度創(chuàng)造了條件?；炷链?、鋼籠(鉛絲)石籠串、鋼絲網(wǎng)兜串備料充分,集中拋投有利于迅速進占,減少流失量。右岸裹頭防護可靠,備料合理。采用大塊石與鋼筋(鉛絲)石籠+鋼絲繩結(jié)合進行裹頭防護,增加了右岸應(yīng)急作業(yè)平臺,減少了高速水流對裹頭的沖刷,為龍口快速合龍贏得了時間。截流備料充分、機械設(shè)備配置合理,調(diào)度迅速及時;全過程應(yīng)急預(yù)案齊全,操作性強。

現(xiàn)場地形復雜情況下模型試驗與實際施工存在一定偏差,施工設(shè)計時應(yīng)充分考慮不同流量下的不利因素,使截流設(shè)計更接近實際施工,保證截流順利進行。分流條件直接影響截流難度。在現(xiàn)場條件允許情況下,應(yīng)盡量改善分流條件,降低截流難度。采用加大拋投強度的方法優(yōu)化了龍口河床護底方案,施工難度略有增大,但節(jié)約了工程投資,保證了工期。

新集水電站截流施工過程表明:工程截流準備充分、施工組織精細,保證了截流施工的 圓滿完成。技術(shù)方案、設(shè)備及截流所需物資等準備充分。制定的截流施工全過程各項預(yù)案齊全詳盡,保證了截流施工成功。截流施工現(xiàn)場規(guī)劃、設(shè)計、組織有序詳盡,整個截流過程有條不紊,截流工程施工取得圓滿成功,為后續(xù)平原型深河谷地貌截流施工積累了更為豐富的寶貴經(jīng)驗。