工程截流裹頭設計及防護

張 杰， 廖 雯， 陳 榮

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

1 概 述

拉哇水電站位于金沙江上游，左岸為四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉，右岸為西藏昌都自治州芒康縣朱巴籠鄉，是金沙江上游13級開發方案中的第8級，總裝機容量2 000 MW，水庫正常蓄水位2 702 m。

工程截流標準采用10年一遇11月平均設計流量Q=639 m3/s，對應截流戧堤擋水水位2 548.193 m，戧堤堤頂高程2 550 m。截流戧堤施工區河道為深厚軟弱堰塞湖相沉積形成的覆蓋層，工程性狀差，覆蓋層厚度65～68 m。白格堰塞湖潰堰洪水過后，壩址區河床平均降低1～2 m，表層Qal-5砂卵石層抗沖能力差。

截流中，裹頭是合龍前保護戧堤端頭的防護結構，也是保護戧堤龍口的重要措施，防止截流過程中水流沖刷造成龍口坍塌，為工程順利截流提供保障。 工程采用單戧寬戧堤從左向右單向立堵的截流方式，將截流材料從龍口左端向右端拋投進占，逐漸束窄龍口，直至全部截斷[1]。為保證右岸堤頭及邊坡穩定，在合龍前，采用大塊石、鋼筋石籠等對右岸堤頭及戧堤上下游約23 m范圍的邊坡進行全面防護。工程截流期間，龍口右岸戧堤水下拋投的大塊石雖出現輕微脫空現象，但鋼筋石籠整體穩定，為電站安全、高效合龍奠定了堅實的基礎。

2 裹頭設計及防護

2.1 裹頭設計原則

在流量為Q=639 m3/s進行模型試驗。在Q=639 m3/s工況下，工程截流龍口落差達9.41 m、龍口最大流速達11.30 m/s、堤頭上挑角最大流速超過3.56 m/s、戧堤軸線平均流速2.52 m/s、戧堤軸線水深超過8.34 m，最大龍口水流單位功率達79.39 t·m/s·m。模擬拋投進占過程中，在龍口寬23 m和10 m時，戧堤軸線處的最大流速分別達7.85 m/s和8.66 m/s。預進占階段未改變天然河道的主流行進方向，龍口及附近水流平順。截流期間，戧堤裹頭處的拋投料受水流擾動和沖刷影響，存在少量拋投料被水流卷走，長時間沖刷后裹頭局部存在坍塌的現象。當采用粒徑0.5 m左右的塊石對裹頭進行保護后，裹頭和下游側戧堤堤頭各處均未出現流失和坍塌現象。在龍口寬度小于44 m時，戧堤滲透流量和流速增大，戧堤下游側受右側凸出山體影響，高流速對戧堤下挑角形成沖刷，進占過程中戧堤下挑角受滲透和沖刷間歇性發生坍塌[2]。

鑒于截流模型試驗成果，工程截流前需要對右岸戧堤進行裹頭保護。裹頭設計原則如下：

(1)防止堤頭被沖潰坍塌，裹頭滿足截流時水流沖刷要求；

(2)裹頭防護材料粒徑大于0.5 m；

(3)適當擴大裹頭保護范圍，防止截流戧堤下游發生坍塌；

(4)戧堤下裹頭受淘刷更為嚴重，要加強防護；

(5)裹頭的坡比經修正后不陡于1∶1.3[3]；

(6)裹頭防護材料能在當地方便獲取。

2.2 裹頭設計

2.2.1 裹頭防護拋頭體直徑、重量估算

裹頭防護拋頭體直徑及質量計算采用經驗公式估算：

(1)

(2)

式中d為拋頭體粒徑，折算成圓球體的直徑(m)；vmax為龍口平均流速(m/s)，2.52 m/s；k為綜合穩定系數，取1.02；g為重力加速度(m/s2)，9.8 m/s2；ρm為拋頭體的密度(t/m3)，塊石取2.7 t/m3；ρ為水的密度(t/m3)，1 t/m3；W為拋頭體重量(t)。

安全系數為1.2～1.8，裹頭防護拋頭體直徑0.5～0.8 m，裹頭防護拋頭體重量0.18～0.73 t。

2.2.2 裹頭材料及防護范圍

工程截流裹頭防護采用大塊石(D=0.5～0.8 m)、特大塊石(D≥1 m)、鋼筋石籠等三種主要材料。鋼筋石籠尺寸為2 m×1 m×1 m(長×寬×高)，石籠主次筋均采用C20 mm鋼筋。鋼筋網格間距20 cm，采用焊接連接。鋼筋石籠內碼放塊石，周邊塊石粒徑不小于30 cm，內部充填密實，巖塊飽和抗壓強度不小于30 MPa。

裹頭防護范圍為右岸戧堤堤頭及上下游約23 m范圍內。龍口右岸戧堤裹頭布置見圖1。

圖1 龍口右岸戧堤裹頭布置示意圖

2.2.3 裹頭結構

戧堤裹頭采用大塊石、特大塊石及鋼筋石籠聯組結構。其中，戧堤護腳采用塊徑0.5～0.8 m大塊石防止截流中河床被淘刷；水位變幅區以下護坡部分采用塊徑0.8 m以上的特大塊石；水位變幅區以上采用2 m×1 m×1 m鋼筋石籠防護，防護厚度4 m。右岸戧堤裹頭防護橫斷面圖見圖2。

圖2 右岸戧堤裹頭防護橫斷面圖

2.3 裹頭防護施工

(1)裹頭防護施工工藝流程：右岸戧堤預進占→河床護底→戧堤水下護腳→水位變幅區以下特大塊石防護→水位變幅區以上戧堤補填、鋼筋石籠裹頭防護。

(2)裹頭防護施工工藝。①右岸戧堤部位先采用反鏟挖掘機在2 544.5 m高程戧堤平臺拋填大塊石進占5 m，作為戧堤裹頭護腳及初期防護，施工從戧堤上游端頭部位開始，所采用的大塊石的直徑必須符合設計要求；②河床護底，根據龍口水位、水流流速、水面寬度、河床高程及鋼筋石籠尺寸、重量等特性，鋼筋石籠采用75 t汽車吊吊放，鋼筋石籠從下游向上游分層安放，兩岸安排測量人員采用拉標尺線的方式進行精確放樣、定位；護底鋼筋石籠安放時，汽車吊機停放在2 544.5 m高程戧堤預進占平臺，鋼筋石籠吊索與汽車吊掛鉤間設置自動脫鉤裝置，確保精確安放、安全施工；③河床護底完成，對右岸戧堤水位變幅區以下坡面采用反鏟挖掘機拋投特大塊石加強裹頭防護，防護厚度至少2 m，特大塊石裹頭修坡坡比不能大于1∶1.3，保證裹頭防護自身的穩定；④對右岸戧堤水位變幅區以上部位補填至高程2 550 m，每填筑一層、整平一層，鋼筋石籠防護一層；鋼筋石籠防護厚度4 m，人工配合75t汽車吊機采用“一丁一順”法擺砌，每層鋼筋石籠外側均采用鋼絲繩進行鉸接，鋼筋石籠頂部采用C25 mm鋼筋焊接成整體結構。

據統計，在我國已完成的截流工程中，只有極個別工程出現了實際來流量大于設計流量的情況[3]。為保障截流安全，在戧堤右岸多準備一部分大塊石、鋼筋石籠，作為裹頭防護的應急措施，裹頭有被沖毀跡象時，及時采取加強裹頭防護等措施,特殊情況將3～4塊大塊石串聯在一起，用推土機推入水中作為裹頭臨時防護。

3 實施效果

工程安排在2021年11月27日上午10時開始截流。截流期間，隨著戧堤進占、龍口寬度逐步縮窄，右岸裹頭并未出現塌陷。當龍口寬度縮窄到30 m、戧堤上下游水位落差6.46 m、流速7.57 m/s時，拋填進入最困難期，右岸戧堤下挑角裹頭水下部分大塊石出現輕微脫空，但因鋼筋石籠仍保持整體穩定，未發生下沉和塌陷。在歷經12 h連續、高強度拋投后，電站于2021年12月27日21時58分成功截流。

4 結 語

大型水電工程的截流過程十分復雜，截流實施結果與原計劃存在一定的差距。在裹頭設計時，考慮河床深厚軟弱覆蓋層的存在，在使用傳統經驗公式計算的基礎上，利用截流模型試驗確定邊界條件，裹頭防護采用大塊石、特大塊石、鋼筋石籠聯組結構防護措施。截流過程中，隨著龍口寬度的束窄，龍口最大流速的位置向龍口下游偏移，深厚軟弱覆蓋層的存在導致右岸戧堤下挑角裹頭水下部分大塊石出現輕微脫空情況，由于截流前準備的大塊石、鋼筋石籠充分，設計科學，使險情并未發生，且取得良好效果，可為類似工程截流裹頭防護參考借鑒。