漢江碾盤山水利樞紐一期截流設計與施工技術

(中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

碾盤山水利水電樞紐是國家確定的172項節水供水重大水利工程之一，也是湖北省漢江五級樞紐項目的重要組成部分。樞紐位于鐘祥市境內，壩址上距雅口航運樞紐58km，下距興隆水利樞紐117km。碾盤山水利水電樞紐工程為Ⅱ等工程，規模為大(2)型，主要永久性水工建筑物為2級建筑物，導流明渠、一二期圍堰為樞紐工程的臨時建筑物，級別為4級。水庫總庫容9.02億m3，調節庫容0.83億m3。電站裝機18萬kW。通航建筑物級別為Ⅲ級。

碾盤山水利樞紐一期圍堰工程由上、下游橫向圍堰及縱向圍堰組成，一期橫向圍堰布置在河道右岸，左岸為導流明渠，兩者之間為縱向圍堰，設計均為土石圍堰，梯形斷面。上、下游橫向圍堰防滲采用塑性混凝土防滲墻上接土工膜斜墻，縱向圍堰防滲采用塑性混凝土防滲墻上接土工膜心墻。導流建筑全長2338.1m，底寬250m，頂部開口寬度350～400m，兩岸開挖邊坡1∶3，進出口底板高程分別39m和38m的導流明渠，為滿足小流量通航需求，明渠底部沿中心線擴寬80m寬抽槽，抽槽進出口高程分別為37m和36.8m，進出口與上下游河道相接。工程采用左岸明渠(一期)、右岸泄水閘(二期)過流、全年圍堰擋水的導流方式。

1.1 水文氣象

根據碾盤山水利水電樞紐碾盤山水文站1950—2016年多年降水資料統計，壩址處多年平均降水量為950mm。壩址處降水主要集中在春夏兩季。

漢江洪水由暴雨產生。漢江流域暴雨多發生于7—9月，具有前后期暴雨的顯著特點。壩址水位-流量關系、壩址分月平均流量見表1～2。

表1 壩址水位-流量關系

表2 壩址分月平均流量 單位：m3/s

續表

1.2 地形、地質條件

沿山頭壩址為右高左低的不對稱河谷，漢江在壩址處流向呈東西向，水面寬度560m左右，江心灘將河床分為左右河槽兩部分，左河槽最低高程31.6m，右河槽最低高程33.6m。漢江平水期水位41.5m左右，江心灘高程41.2m，汛期江心灘淹于水下，枯水期露出水面。左岸Ⅰ級階地臺面高程約47m。前沿往往形成4～5m的陡坎與河灘相接，在Ⅰ級階地上修建有漢江堤防，堤頂高程51～52m；右岸沿山頭一帶為崗地，崗頂高程58～65m，高出漢江水位16～23m，在壩址區域內，沿山頭臨江形成近似直立的陡岸。沿山頭下游側沿江灘地地面高程為45～47m，寬度400～500m，灘地與Ⅰ級階地無明顯分界線。堤防內側階地高程47～48m。

上游圍堰位于漢江河床，河床底部高程為36.79～45.66m。左岸為Ⅰ級階地前緣，右岸為崗地。上游圍堰地層結構如下：粉細砂層厚7.90～16.30m，層底高程21.88～31.00m。砂礫石層厚4.80～12.50m，層底高程18.50～21.88m。黏土厚3.0～6.40m，層底高程36.70～39.26m。泥質粉砂巖、粉砂巖揭示厚度為14.50～34.90m，層頂高程18.50～39.26m。

2 主要特點及難點

a.由于圍堰河床段上部覆蓋層為粉細砂，厚7.90～16.30m，層底高程21.88～31.00m；屬淤積型覆蓋層，覆蓋層受水流作用抗沖能力差，起動流速僅為0.2～0.4m/s，河床束窄后，在截流流量、落差、龍口流速均較大時，如果保護措施不當，會在截流過程中形成沖刷性破壞、滲漏管涌性破壞、護底體系的自身穩定破壞等，造成戧堤多種形式的坍塌而危及施工人員和機械設備的安全，延長截流困難段時間，如備料不足或不滿足抗沖要求，甚至會導致截流失敗。淤積型覆蓋層截流，綜合施工技術難度大。

b.截流前導流明渠須具備通水通航條件，須拆除左岸進場路與縱向圍堰側之間通行道路及進口土埂，縱向圍堰側施工區陸上運輸中斷，形成孤島，須提前備足戧堤左岸截流石料、機械設備及油料等。

c.2019年1月29日對龍口段區域四方聯測成果顯示，實際臨時航道未按設計要求布置抽槽，與設計航道中心線存在較大交角(16°)，航道抽槽疏浚清出的淤沙直接堆積于航道兩側，在龍口上游100m處形成一較大沙洲，水流被沙洲一分為二，水流方向與戧堤軸線夾角加大，在龍口上下游附近形成漩渦，致使該部位過水流態發生變化，左側堤頭附近河床覆蓋層沖刷嚴重，形成較深的沖坑，最低高程為26.28m，沖刷深度已達12m有余。地質資料顯示，該部位已沖刷至砂礫石層?？紤]到通航、左右岸交通條件及左岸備料情況，此處船拋護底施工難度大、強度高，另此處龍口截流合龍時，水深較大、拋投強度高、水力學指標高，截流施工技術難度大。

d.一期截流的流量為1110m3/s，由導流明渠分流，河床底高程平均36m，由施工期每日水情預報表可知，截流前平均水面高程38.5m，明渠進口底高程39m，且明渠進口土埂坡腳存有大量原庫岸拋石護腳，明渠通水進口土埂開挖時，原老拋石水下清除困難，導流明渠的分流條件差，一期截流難度大，必須充分準備，配備足夠的施工設備及料物，才能保證截流成功。

3 截流設計

3.1 截流時間及相應流量

綜合考慮施工進度安排、水文氣象資料分析結果及現場施工條件，截流時段安排在3月底進行。根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303—2017)的規定，截流標準可采用截流時段重現期5～10年的月平均流量，設計采用3月份P=20%的月平均流量Q20%=1110m3/s。

3.2 截流方式

本工程一期橫向圍堰布置在河道的右岸，左岸為導流明渠，兩者之間為縱向土石圍堰。

由于一期上游橫向圍堰預進占時期，導流明渠還未過水，河水僅通過束窄的右岸河床過流，此時左岸交通可利用導流明渠進口土埂或明渠內道路經裹頭圍堰到達截流戧堤左肩頭，到龍口合龍階段，明渠已經過水，戧堤左岸縱向圍堰已成孤島，須利用事先準備在縱向土石圍堰上游處的機械車輛及河道存渣場的截流備料進行龍口段的拋填。

右岸有道路可以抵達圍堰肩頭，考慮實際施工進度及防洪度汛基坑充水反壓要求等因素，本工程選擇上游左右岸雙向進占單戧立堵的截流方式，戧堤預進占階段主要從左岸進占、右岸輔助。合龍階段以右岸為主、左岸輔助，分流建筑物為導流明渠。

3.3 截流戧堤布置

本工程截流戧堤與上游土石圍堰體型相結合[1]，布置在圍堰軸線的下游側，河床截流后，該戧堤結構將成為上游土石圍堰堰體的一部分。本工程上游圍堰上部采用土工膜斜墻，下部為內嵌混凝土防滲墻的土石圍堰。為防止截流時戧堤大粒徑拋投料流失進入防滲墻槽孔部位導致防滲墻施工難度增加，避免形成集中滲流通道而影響圍堰安全運行，截流戧堤布置于防滲墻下游側。截流戧堤中心線位于大壩上游圍堰軸線下游24.33m處、防滲墻下游50.32m處，呈直線布置。截流戧堤布置剖面如圖1所示。

3.4 戧堤斷面

本工程導流建筑物為4級，截流戧堤的設計洪水標準為12—4月P=20%，洪峰流量1530m3/s，經計算，對應的上游水位為42.76m，確定戧堤頂高程為43.5m。上游圍堰戧堤頂寬為12m，戧堤按梯形斷面設計，上下游坡比均為1∶2。截流戧堤填筑材料為石渣和塊石料，截流戧堤總長726m。

圖1 截流戧堤布置剖面圖 (高程單位：m，尺寸單位：m)

為降低截流石料的拋投強度及增加戧堤進占的工作面寬度，根據截流前近期壩址水文情況及截流模型試驗成果，截流戧堤臨時堤頂高程控制在高于戧堤上游水位1.2m處，待戧堤合龍后再快速加高至設計高程43.5m。不同流量下戧堤合龍前戧堤臨時堤頂高程控制見表3。

表3 合龍前戧堤臨時堤頂高程控制

3.5 龍口位置及寬度

根據截流水力學計算及拋投強度分析，將龍口布置于河床靠右岸位置。經過截流水力學計算，確定右岸向左岸預進占113m，左岸向右岸預進占353m，并做好裹頭保護，形成260m寬的龍口。上游橫向圍堰戧堤進占布置及龍口位置見圖2。

3.6 截流水力學指標的確定

碾盤山水利水電樞紐工程一期河床截流為淤積型覆蓋層河床截流，不僅存在覆蓋層沖刷帶來的截流風險，且存在施工期通航問題。為確保安全經濟截流，有效解決相關關鍵技術問題，采用1∶90截流整體模型進行了試驗研究。

圖2 上游圍堰戧堤進占布置圖

考慮到上游丹江口水庫的調蓄作用，截流時流量不一定達到1100m3/s。為實現安全、經濟的截流目標，試驗緊密結合現場實際，在原地形、實測地形兩種地形邊界以及設計及實測兩種水位流量關系邊界條件下，對截流設計流量Q=1110m3/s及Q=650m3/s、Q=845m3/s、Q=1310m3/s等四級流量下截流進占過程水力特性進行了測試及分析[2-3]。截流設計流量對應龍口水力指標見表4，各工況戧堤龍口段特征水力參數對比見表5。

表4 龍口段進占截流水力特性匯總(Q=1110m3/s)

表5 各工況戧堤龍口特征水力參數對比

在實測地形及實測水位流量關系邊界條件下，在截流設計流量Q=1110m3/s時，戧堤合龍后截流總落差為1.59m，戧堤落差為1.23m，戧堤上游平均水位為41.07m；堤頭及龍中線最大流速發生在龍口寬30～15m階段，堤頭最大流速為3.92m/s，龍中最大流速為4.00m/s；整個截流進占可用中石完成截流，無流失。

在實測地形條件下，各級流量下的截流總落差及戧堤落差規律不明顯。主要是因為明渠底板高程為39.00m，介于幾級流量的下游控制水位之間，為敏感水位段，下游水位變化對明渠的分流能力影響較大。在實測地形條件下，各級流量下的左右堤頭及龍口流速有隨流量增大而增大趨勢。在Q=845～1310m3/s時，左右堤頭最大流速在3.45～4.08m/s間，龍口最大流速在3.28～4.00m/s間。

3.7 龍口分區及拋投物料

根據截流模型試驗成果、設計及通航要求、龍口布置情況及截流強度等，上游橫向圍堰截流戧堤分為非龍口段及龍口段。非龍口段為左、右岸預進占段，右岸向左岸預進占113m，左岸向右岸預進占353m，均在堤頭拋投大塊石裹頭保護。龍口段寬度260m，分為4個區，詳見圖3。

分區情況如下：

a.龍口Ⅰ區。龍口從右岸單向進占，龍口寬度由260.0m進占至90.0m，左岸暫不進占，右岸進占170m，龍口流速1.64～2.50m/s(左)。

b.龍口Ⅱ區。龍口從左右岸雙向進占，龍口寬度由90.0m進占至60.0m，左岸進占10.0m，右岸進占20.0m，龍口流速2.27～3.20m/s(右)。

圖3 龍口分區拋投石料剖面圖

c.龍口Ⅲ區。龍口從左右岸雙向進占，龍口寬度由60.0m進占至15.0m，左岸進占20.0m，右岸進占25.0m，合龍進占進入最困難段，龍口流速2.27～4.00m/s(中)。

d.龍口Ⅳ區。龍口從左右岸雙向進占，龍口寬度由15m進占至合龍，左岸進占7.0m，右岸進占8.0m，龍口流速4.00～0.00m/s。

根據截流工程的難易程度、截流模型試驗成果及巖石特性，截流拋投料物分別選擇中塊石、大塊石及混凝土塊串體。龍口拋投材料粒徑按照伊茲巴什公式的計算結果，并參照國內外水電工程截流的實際資料，綜合分析確定。當量直徑0.7～0.9m為大石，當量直徑0.4～0.7m為中石，當量直徑大于0.9m為特大石，混凝土塊2m×0.5m×0.5m(導流明渠防護用鉸鏈排混凝土預制塊)，混凝土塊預埋DN32PVC管，采用6×37+FC、公稱直徑17.5mm的鋼絲繩，每6～8塊串聯并用U形卡扣相接組成混凝土塊串體。在龍口流速較小的拋投區，主要使用中塊石；在龍口流速大的拋頭區主要使用大塊石，局部部位和時段采用特大塊石及混凝土塊串體，以抵抗水流沖刷，保證戧堤穩定。根據截流水力學計算成果，參照類似工程截流施工經驗，結合截流模型試驗成果，總結龍口不同分區的拋投材料數量，見表6。

表6 龍口分區及拋投材料數量

3.8 龍口護底

淤積型覆蓋層截流，覆蓋層多由泥質粉細砂、泥質砂礫石、淤泥質黏土、淤泥以及中粗砂等組成，其抗沖能力極差，在截流流量、落差、龍口流速均較大時，如果保護措施不當，會在截流過程中形成沖刷性破壞、滲漏管涌性破壞、護底體系的自身穩定破壞等，造成戧堤多種形式的坍塌，危及施工人員和機械設備的安全，延長截流困難時間，如備料不足或不滿足抗沖要求，甚至會導致截流失敗。根據以往施工經驗，對于淤積型覆蓋層河床截流，須采取適當的護底措施及必要的基礎保沙措施和戧堤防滲措施。

根據截流模型試驗成果、設計及通航要求等，于3月1—15日(平均流量653m3/s)上游圍堰戧堤截流前，對龍口樁號0+353～0+559進行了平拋護底，護底石料為粒徑0.4～0.7m的中塊石，船拋石料共13394.21m3，其中戧堤樁號0+353～0+453水深2.5～12m，最大流速1.48m/s，護底均厚3.5m；戧堤樁號0+453～0+559平均水深2.5m，流速0.7～0.84m/s，護底均厚0.5m。

3.9 截流強度和施工設備

龍口拋投強度與戧堤前沿能同時布置的拋投點數成正比，根據經驗公式及所選參數，考慮流失系數、龍口合龍總拋投量，龍口Ⅰ區長度170m，龍口從右岸單向進占，計劃耗時5天,拋投2.83萬m3，拋投強度為340m3/h；龍口Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區長度共90m，左右岸雙向進占，計劃耗時2天，拋投強度為680m3/h，左右岸戧堤共布置4個卸料點同時卸料。

施工設備的配置和布置須滿足截流施工強度的要求，且考慮截流道路布置、設備完好率等。為滿足截流拋投強度的要求，須配備足夠的裝、挖、吊、運設備，優先選用大容量、高效率、機動性好的設備，根據截流拋投強度680m3/h配置挖裝運設備。截流選用的主要設備見表7。

表7 截流施工主要機械設備

3.10 截流水情預報

a.水情預報由已經投入運行的水情中心進行中短期預報，每天預報。截流水文勘測委托長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局實施，及時將預報及勘測數據傳至截流領導小組和截流指揮部。

b.在已建3個水位站(壩上、壩下、取水口)的基礎上，新設4個比降觀測水尺斷面，分別在龍口寬度240m、200m、160m、120m、90m、60m、30m處各同步觀測一次。龍口左右岸戧堤堤頭上、中、下各布設一個水位觀測點，龍口寬度在230～90m每間隔4h、90～60m每間隔2h、60～30m每間隔1h、30～15m每間隔0.5h觀測一次。選擇岸坡較為穩定的地段設立安裝水位自動記錄儀器，設立搪瓷直立式水尺。在龍口附近隨著龍口寬度的縮窄，采用全站儀無棱鏡直接觀測法施測。

c.流速測驗布設13條測速垂線，采用船載ADCP或三體船搭載ADCP定點測量、電波流速儀等方法施測。在明渠與河道的上游分流點以上河段布設1個流量測驗斷面，在分流明渠及龍口，龍口上、下圍堰位置各布設1個流量測驗斷面，采用橡皮快艇搭載走航式ADCP施測。

截流具有邊界條件多變，水力條件復雜的特點，為進一步驗證截流模型試驗報告的可行性和合理性，必須在截流施工中進行原型觀測，一方面指導截流施工進展，另一方面及時發現問題，以便采取相應有效措施。

4 截流施工

4.1 截流備料

按1110m3/s截流設計水力學指標及拋投材料、截流模型試驗及河床地形測量成果等進行備料，為保證截流順利實施，參照類似工程的截流經驗，備料系數取1.3。截至龍口截流前，共備料6.93萬m3,其中中塊石5.94萬m3，大塊石0.99萬m3，混凝土塊438塊，串聯混凝土塊的φ17.5鋼絲繩500m，U形卡扣150個。所有用于截流的材料均按規格分類在左右岸劃分好的備料場堆放，并立牌標識，以便截流時統一指揮調度。

4.2 截流道路設計

根據截流雙向進占的安排，截流道路及備料場分布在左岸和右岸，右岸料場布置在場內R3道路坡腳梯田，距右岸堤頭0.7km，右岸料場道路根據場地情況修筑臨時R4道路，寬度不小于15m，坡比控制在8%以下，考慮到截流時右岸進占為主，拋投強度大，將右岸截流道路布置成環形，重車從右岸料場經R4道路下坡至戧堤，空車上坡經R3道路返回料場。右岸料場布置在縱向圍堰平臺及上游橫向圍堰防滲墻施工平臺，距左岸堤頭0.5km，根據場地情況將左岸截流道路亦布置成環形，重車從左岸料場經縱向圍堰平臺下坡至戧堤，空車上坡經防滲墻石渣平臺返回料場。

4.3 截流施工策劃

為了保障截流順利實施，項目部組織編寫了《截流施工作業手冊》并發放至每一個參與人員手中，按照“一線五點法”對截流任務進行分解，確保每一個小組、每一個參與人員都明確自己的崗位職責。同時組織了相關單位的導截流施工專家現場培訓指導，對突發情況現場解決，確保截流順利完成。

4.4 截流演習

2019年3月10日上午在右岸已完成預進占段堤頭開展龍口截流演習，對截流實施過程中的拋投強度進行對比分析，對料場、道路、堤頭指揮、人員設備等的工作銜接及配合進行了暴露整改，演習拋投強度達到470.15m3/h，滿足截流設計拋投強度。演習主要檢驗整個截流施工組織和資源配置是否存在漏洞，通過演習進行資源優化及補充，使截流各項工作銜接到位、指令通達及反應迅速，截流過程中的實際拋投強度不小于理論計算強度，確保截流順利實施。

4.5 預進占施工

2019年1月26日非龍口段預進占完成，預進占戧堤按頂高程39.5m和設計圖紙控制戧堤體型。

左岸戧堤預進占353m，進占物料以中石料為主，圍堰土方預進占330m，左岸戧堤預進占填筑石渣料方量6.03萬m3；右岸戧堤預進占113m，進占物料以中石料為主，圍堰土方預進占100m，右岸戧堤預進占各類填筑料總計2.81萬m3。

戧堤預進占前對圍堰岸坡進行修整，以保證施工質量。戧堤預進占施工時，戧堤落差和流速相對較小，中石石渣料即可穩定，在戧堤前沿全線均勻拋投，使用中石石渣料全斷面拋投施工。填筑料采用自卸汽車運輸，全斷面端進法拋填，推土機配合施工。

預進占完成后用大塊石對左、右岸堤頭進行保護，大塊石采用20～25t自卸汽車運至堤頭工作面，推土機直接沿堤頭坡面推趕，形成龍口裹頭保護，保護水位以下預進占戧堤不被水流沖刷掏空。

考慮到淤積型覆蓋層截流的各類風險，須采取必要的戧堤防滲措施，為盡快提供圍堰防滲墻施工作業面，在戧堤進占過程中同時跟進填筑抗滲性能較強的石渣、黏土等材料，以提高戧堤自身的抗滲能力、自穩能力及提供防滲墻工作面。

4.6 龍口段施工

根據水力學計算、模型試驗成果、截流施工方案及河床地形測量成果等，龍口分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4區。龍口段施工主要采用全斷面推進和凸出上游挑角兩種進占方式，在施工中，大塊石以堤頭集料為主，中石以汽車直接拋投為主。為滿足拋投強度，視堤頭的穩定情況，采用自卸汽車直接拋填，部分采用堤頭集料，大功率推土機趕料方式拋投。

龍口Ⅰ、Ⅱ區龍口流速不是很大，主要采用中塊石直接拋投，2～3個卸料點進占，即自卸汽車運料至堤頭后直接卸料入水中，少量塊石由推土機配合推入水中。龍口Ⅲ、Ⅳ區流速較大，截流最為困難，為避免拋投量大量流失，拋投大塊石、混凝土串體時，重點拋投上角及下游突出部位，先在上游側拋投大料，將水流分離戧體，再用大料拋投下游側，將落差分擔在上下游兩側，然后再用中石拋投中間，如此輪番交替進占，經過此階段后上游水位壅高較大，流速減小，此時加快拋投強度，使之盡快合龍。

上游圍堰戧堤合龍過程及完成后，及時在戧堤上游側填筑黏土料及碎石土，以減少圍堰的滲漏量，便于防滲墻進場施工。下游圍堰施工在靜水中進行，不再做戧堤，直接使用相應的填筑料分區填筑。

2019年2月26日的河床實測數據顯示，臨時航道疏浚形成的沙洲致使流態變化，導致左堤頭沖刷嚴重，考慮到平拋護底工程量加大，2019年3月10—14日對右岸戧堤樁號0+613～0+506進行了再次預進占，戧堤上下游落差基本為0，最大流速1.7m/s，最大流量666m3/s。2019年3月14日導流明渠分流，根據水情中心預報及明渠進口沖渣需要，于2019年3月16日實施漢江截流。截流時段最大流量為730m3/s，實測最大龍口水深14.6m,實測龍口最大流速達4.2m/s，截流落差實測1.24m，戧堤頂高程41.5m。3月16日10時12分開始龍口合龍施工，實測分流流量及龍口水力學指標見表8。

2019年3月19日18時10分龍口合龍，右岸進占長度223.94m，左岸進占長度36.06m，總進占長度260m，截流戧堤拋投總量126837.2m3，龍口拋投量55120.75m3，最大小時拋投強度達到767.93m3。

表8 碾盤山水利樞紐工程一期截流實測水力學指標

5 結 語

a.加強水情預報，盡可能在小流量下截流，在截流方式確定后，截流難易取決于截流流量。加強截流施工原型觀測，指導截流施工，保障截流工程順利完成。

b.對于淤積型覆蓋層河床截流，采取適當的護底措施，可減小覆蓋層河床沖刷，降低后期龍口段進占截流風險。對于通航河段截流，存在截流與施工期通航的矛盾問題，臨時航道的疏浚清淤不當會導致過水流態變化，進而使河床覆蓋層沖刷嚴重，增加截流施工難度。

c.導流明渠的設計及施工過程須充分考慮河道沖淤的演變情況及影響明渠分流能力的可能因素，確保導流明渠正常發揮功能。

d.針對碾盤山水利樞紐工程實際，結合水工模型試驗，對漢江一期截流前的施工技術方案、截流施工組織、截流備料、截流機械設備、截流道路和場地等方面進行了具體的設計和充分的準備，整個截流過程順利，截流取得了成功，為其他類似工程的截流施工提供了較好的借鑒。