清遠市某水利樞紐工程截流施工技術分析

李 剛

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概況

某水利樞紐工程位于廣東省清遠市境內，所在流域為北江干流，工程主要包括非溢流擋水壩、溢流壩、副壩及船閘、廠房等水工建筑物，是一座以發電為主，兼具灌溉、城鎮供水、航運等功能的水利水電工程。壩址控制流域面積24.32萬km2，洪峰流量較大，且歷時長，枯水期從11月開始，4月底開始進入洪水期，且最大洪水流量一般出現在7～8月。工程壩址區地質類型主要為第四系地層，包括人工堆積層、沖積層和殘積層，下伏燕山早期侵入巖基及花崗巖侵入體基巖。

工程施工導流分兩期進行，第一期利用左側河床起訖樁號K0+574.5—K1+298.3段導流，進行右岸非溢流壩段及14孔溢流壩的圍堵施工；第二期則主要進行起訖樁號K0+685.5—K1+230河床段壩體工程施工。該水利樞紐工程截流有明顯特點：一是左岸場地狹窄，截流河床段寬度較小；二是截流建筑物之間互相影響互相制約，如圍堰上游坡腳伸入導流洞，同時下游坡腳與基坑開口線距離過小，戧堤左岸和導流洞連接后，增加了施工抽排水困難和混凝土澆筑難度。

2 截流施工設計

結合現有施工條件，該水利樞紐工程左岸存在長2.0km、寬1.0km、高程18.0m的高漫灘地，可用于截流施工材料的堆放；壩址上游3.1km處的塘石場和下游3.8km處的土料場料源充足且場地開闊，適合本樞紐工程機械化截流施工。樞紐工程右岸縱向圍堰和泄洪洞導墻構成的場地較為狹小，施工干擾大，難以展開機械化施工，為此，本樞紐工程截流布置應充分考慮現有地形，以左岸為主，右岸為輔。根據施工組織設計中所確定的該樞紐工程2019年5月首臺機組發電目標實現的要求，確定截流時間，截流流量按照50年的平均流量確定。

根據截流條件，本樞紐工程在河床靠左岸設置截流龍口，龍口實際寬度110m，與左岸縱向圍堰和右岸的距離分別為58m和152m，雙向進占施工。結合口門分流量等水力學參數，將龍口段進占施工劃分為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區三個區域，根據水工模型試驗確定的樞紐工程截流戧堤分區，進占施工參數詳見表1。

截流戧堤全長321m，左側與高程13.4m縱向圍堰的防沖堆石體相接，右側與實際高程14.6m的灘地相連，戧堤斷面為梯形設計，根據設計要求，戧堤能夠抵御汛期2年一遇設計洪水，進占向邊坡設計坡度1∶1.2，邊坡穩定性符合設計要求。

結合截流水力條件設計中對拋投料穩定性的要求，及可能的料石來源渠道，本樞紐工程采取鋼筋石籠與塊石拋投相結合的拋填方式[1]，左右岸拋填材料粒徑及用量具體見表1。拋投強度必須符合戧堤寬度、車輛運輸供料能力及進占方式，為提升拋填效率，本工程應采用斗容量及載重量較大的推土機和自卸車，并在堤頭準備起吊設備和大馬力推土機輔助鋼筋石籠和大粒徑塊石料的拋填。戧堤進占拋填施工所使用機械設備詳見表2。

3 截流施工關鍵技術

3.1 施工準備

在施工準備階段，嚴格按照表1所列拋填石料粒徑及使用量進行截流施工備料，并將粒徑＞0.9m的特大石、粒徑0.9～0.5m的大石、粒徑0.5～0.3m的中石、粒徑＜0.3m的石渣及鋼筋石籠分開堆放。與此同時還應按照表2進行施工機械設備的安排及性能檢驗，保證各類機械設備性能處于最佳狀態。

表1 樞紐工程截流戧堤進占施水力學參數

表2 戧堤進占拋填施工機械設備

為保證施工機械順利進場及拋填料運輸供應，還應進行壩址和備料場之間截流施工道路的修筑，并確保臨時施工道路中干道、支道寬度及結構強度，能滿足載重施工機械運行的要求。

3.2 截流施工

3.2.1 預進占

通過3～5m3的裝載機、自卸車臨時堆料，并沿著大壩右岸公路運輸至石渣上游圍堰處卸料，按照0.5m的厚度堆鋪料，再由裝載機負重碾壓3遍。考慮到戧堤滲流量的控制，本工程主要使用粗粒土和石渣的混合料為碾壓料。

3.2.2 截流施工步驟

按照戧堤壩進占的設計，將龍口劃分為兩階段施工：先進行戧堤壩，進占至坡腳接角龍口對岸，并形成三角形斷面，這一階段河床水流流速較小，所以拋投料選擇一般性石渣，并以上游邊線外拋投為主，大料拋投于上游側，使水流和戧堤壩分離，并確保大料穩定置放在上游坡角，其余部分則按照所設計的一般投料順序進占。

完成上述過程后，戧堤壩坡腳與龍口對岸三角形斷面已較為接近，按照設計要求進占施工，直至合龍。因流速此時達到最大，截流存在較大難度，為防止拋投料受水流沖刷后大量流失，應選擇大塊石、鉛絲石籠及串石等重物為拋投料，并以上角和下游突出位置為重點拋投施工區域，先拋投大料，使水流出現分離趨勢，初步形成戧堤后，再迅速在下游側拋投大料，分擔上下游落差，再迅速在中間拋投一般性石渣，按照這個過程循環交替拋投，以保證有效進占。實踐證明，經過上述兩個階段處理后上游水位壅高增大，流速減小，拋投強度大，合龍速度快。

3.2.3 截流施工過程

按照設計要求的順水流向長60m、垂直水流向長120m的龍口段護底尺寸，進行龍口中心線布置，并于2019年5月完成龍口段護底施工，對戧堤底部地形實際量測結果顯示，已經護底處理的龍口段右側存在較為嚴重的沖刷。出于控制拋填強度和改善河床水流流態考慮，將護底范圍順水流方向延長50m，垂直水流方向延長60m。

為加快拋填進占施工進度，在形成龍口后還在左岸下游龍口處增設長度和寬度分別為20m和10m的回車場，為拋填料運輸車輛掉頭及退行卸料提供方便。龍口施工開始后，沿左右兩岸同時進占拋填，待施工至流速最大段時，左岸戧堤端頭上游發生坍塌，及時進行特大石塊拋投和混凝土四面體護腳施工，戧堤基本穩定。此后隨著溢流壩分流量的逐漸增大，龍口流速不斷下降，最終形成水下堰體，戧堤基本穩定，截流順利結束。

3.3 深水截流施工安全問題

本樞紐截流施工水深為10.8～32.6m，水深較大的區域截流施工難度大，在初設及可行性研究階段，已經明確提出通過單戧雙向立堵的方案[2]進行拋投進占截流，拋填進占施工中的安全問題必須引起設計及施工人員足夠的重視。

在設計階段，圍繞深水拋填進占施工安全問題，展開比尺1∶80截流及比尺1∶40堤頭水工模型試驗，并對不同水深條件下及不同拋填材料組合情況下的拋填進占施工效率及安全進行反復驗證。根據試驗結果：當水深達到28m及以上后，無論堤頭采取任何拋填材料、材料級配及拋填方式，發生大范圍坍塌的可能性均較大，很難保證拋填進占施工質量；當實際水深降至18～28m范圍后，雖然發生大規模坍塌的可能性仍然存在，但是發生概率和規模大大減小；當水深在18m以下時，幾乎不存在拋填材料坍塌的可能性。為此，本水利樞紐工程在水深18m及以上的區域拋填進占截流施工，應采用水下平拋墊底法，以有效應對截流水深較深所引發的截流施工風險。

樞紐工程上游圍堰平拋墊底總工程量的設計值為63.8萬m3，為避免增大后期混凝土防滲墻造孔施工難度，截流戧堤底部主要使用塊石料和石渣料拋填，圍堰軸線周圍主要使用砂石毛料拋填。考慮到平拋墊底工程量較大，故分兩階段完成，在施工期內汛期到來之前，主要將戧堤處塊石料和石渣料拋填至38m高程處，將圍堰堰體處砂石料拋填至32m高程，待汛期結束后再加高至38m的高程設計值。既能起到安全度汛防沖的作用，又能防止已經拋填完成的砂石料發生性能粗化。

為加強平拋墊底施工質量控制，必須增強拋填定位的準確度，并預防拋填施工過程中拋填料分離，以控制拋填施工難度。對于水流流速較大的區域應以定位穩定、準確、移位靈活且采砂效率250m3/h的采砂船為定位船，并用拋投量400m3的石駁船裝載拋填料，待運抵截流施工區域后以定位船為基準集中卸料拋填。汛期過后水下量測校核結果顯示，汛前所拋填進占的墊底材料完整。此外，還根據水深進行了平拋墊底高程的加高處理，降低了龍口合龍施工水深和施工難度。

3.4 分流條件

水利樞紐工程分流條件設計，即分流建筑物設計施工，是影響截流難度及施工成敗的關鍵，本樞紐工程以導流明渠為主要分流建筑物，所確定的實際截流流量為6460～10200m3/s。分流條件設計還包括圍堰和分流建筑物堰外段的開挖拆除，為降低合龍施工難度，確保明渠堰外段的開挖拆除施工質量，在施工前的上一個枯水期內，便完成了圍堰外低水圍堰結構的修筑，保證了明渠進口段提前完工。

此外，還將縱向圍堰施工期和導流明渠圍堰進水時間提前了4個月，為圍堰水下開挖拆除施工贏取了時間。導流明渠過流時間提前至汛前的處理，使其泥沙淤積愈加嚴重，至汛期后預進占施工時，導流明渠分流并未達到設計要求，實際分流比僅為水工模型試驗設計值的30%左右[3]，為此，結合樞紐工程所在流域實際來水量，將束窄戧堤口門提前，以使導流明渠過流流量和流速增大，便于沖淤。在龍口最終合龍前水下測量結果顯示，導流明渠過水面積已接近設計斷面的82.1%～96.7%，分流比增至93.96%，沖淤效果顯著。

3.5 圍堰高度驗算

依據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274—2001）規定，對均質土截流圍堰頂高程進行驗算，計算表達式如下:

式中：y——壩頂超高，m；

R——最大波浪在壩坡上的爬高，m；

e——最大風壅水面高度，m；

英國有工業再造計劃、美國有再造工業方案、德國有工業4.0，而中國亦有“中國制造2025”。這讓人們越來越清晰地看到人類進入了一個發展的新時代。文化消費成為主導，科技創新成為基礎，跨界融合的創造需求日益增強。在新時代，工業設計的格局與發展將迎來一場革命，而這一次中國改革開放的成果為這場革命的參與者和主力軍奠定了基礎。

A——安全加高，根據施工壩的等級，查表5.3.1取0.5m。

（1）波浪的平均波高、平均波周期，采用莆田試驗站公式，其計算表達式如下：

式中：hm——平均波高，m；

Tm——平均波周期，s；

W——計算風速，根據氣象統計資料統計，東臺地區全年最大風速為10m/s；

D——風區長度，按5倍的河道設計寬度260m；

Hm——水域平均水深，m；

（2）平均波長計算表達式如下:

式中：Lm——平均波長，m；

H——壩迎水面前水深，m。

（3）正向來波在單坡上的平均波浪爬高，計算表達式如下:

式中：Rm——平均波浪爬高，m；

KΔ——斜坡的糙率滲透性系數，根據護面類型查表A.1.12-1取0.9；

Kw——經驗系數，查表A.1.12-2取1.02；

m——單坡的坡度系數，若坡角為α，即等于cotα。

根據以上公式及參數，施工截流圍堰超高計算成果見表3。

表3 施工截流圍堰超高計算成果 單位：m

截流圍堰驗證頂高程為防洪設計水位+安全超高，即2.87+0.5=3.37m，小于設計高程4.00m。綜上所述，施工截流圍堰設計高程滿足安全要求。

4 結論

通過該水利樞紐工程在汛期大流量下截流進占的施工經驗，發現截流施工組織準備及方案設計合理是保證截流施工成敗的關鍵。汛期大流量截流進占施工，必須把握來水較小的有利時機，果斷截流。結合流域來水情況，延長預進占長度，以降低截流進占合龍難度，縮短合龍時間。截流施工過程中還必須密切關注戧堤變動，及時采取有效措施，確保截流安全、順利、高效施工。