變流量條件下枕頭壩二級水電站縱向圍堰施工研究

摘要：為解決變流量高速水流條件下枕頭壩二級水電站一期縱向圍堰施工的難題，根據現場實際，結合類似工程施工經驗，主要對水下填筑進占、防沖六面體護坡施工等方面進行了研究，提出了變流量高速水流區縱向圍堰施工方法。該技術有效解決了變流量縱向圍堰施工的難題，為成功實現枕頭壩二級水電站安全度汛及蓄水發電目標奠定了堅實基礎。

關鍵詞：變流量; 大流速; 縱向圍堰; 施工技術; 枕頭壩水電站; 大渡河流域

中圖法分類號：TV551 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.011

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0035 - 05

1 工程概況

枕頭壩水電站為大渡河干流水電梯級調整規劃的第十九個梯級，位于四川省樂山市金口河區。枕頭壩二級水電站工程為枕頭壩河段兩級堤壩式開發的第二級，其上一級為已完工的枕頭壩一級水電站，下一級為沙坪一級水電站。該電站為Ⅱ等工程，工程規模為大（2）型，采用堤壩式開發，樞紐主要由左岸非溢流壩段、泄洪閘壩段、河床廠房壩段以及右岸非溢流壩段組成，最大壩高54 m。正常蓄水位為592.0 m，死水位為589.0 m，正常蓄水位以下庫容為0.112億m³，水庫總庫容為0.122億m³，電站與上游梯級電站聯合運行。枕頭壩二級水電站裝機容量300 MW，多年平均發電量15.03億kW·h，電站開發任務以發電為主，兼顧庫區供水和促進地方經濟社會發展。

該工程左岸一期縱向圍堰（圖1）采用土石圍堰，圍堰頂高程上游端為589.0 m，下游端為587.0 m，長約632.70 m，頂寬8.0 m;通過預留的土坎+土石填筑加高擋水，堰體及基礎采用混凝土防滲墻防滲;混凝土防滲墻厚度1 m，伸入基巖1 m。背水側填筑坡比1∶1.5、開挖坡比1∶1.8，河床側填筑部分坡比為1∶1.5;枯水位以下采用混凝土六面體防護作為抗沖刷措施，枯水位以上采用鋼筋石籠防護。

1.1 水文條件

大渡河流域自20世紀60年代起修建的大中型水電站主要有干流上的龔嘴電站、銅街子電站，以及支流南椏河上的二、三級電站。這些電站僅具有日調節性能，且南椏河徑流量小，對大渡河干流影響甚微。近期干流上已經建成的電站有瀑布溝水電站、深溪溝水電站、枕頭壩一級水電站、沙坪二級水電站。瀑布溝電站裝機容量3 600 MW，正常蓄水位以下庫容50.64億m³，調節庫容38.8億m³，為季調節水庫;深溪溝電站裝機容量660 MW，正常蓄水位以下庫容3 227萬m³;枕頭壩一級電站裝機容量720 MW，正常蓄水位以下庫容4 350萬m³;沙坪二級電站裝機容量348 MW，正常蓄水位以下庫容2 084萬m³。

枕頭壩二級水電站壩址位于瀘定-銅街子段的大渡河中游金口河鎮附近，流域面積73 197 km2，河道平均坡降為1.8‰;距離上游毛頭碼水文站36.3 km。

1.1.1 徑 流

枕頭壩二級壩址月徑流根據毛頭碼、沙坪站月徑流，按面積關系內插計算得到枕頭壩二級壩址多年平均年均流量為1 360 m3/s。壩址多年平均流量成果見表1。

1.1.2 洪 水

考慮瀑布溝電站供水期可能出現4臺機組滿發的情況，由最大引用流量2 610 m3/s再加上受開建橋隧洞引水后的區間分期洪水，即可求出各時段受上游電站影響的枕頭壩二級電站最大分期洪水，其中6～9月主汛期取受瀑布溝影響后的全年最大設計洪水成果見表2。

1.1.3 枕頭壩一級出庫流量

枕頭壩一級電站單機發電流量687 m³/s，電站4臺180 MW機組，裝機容量720 MW，受電網調控影響，枕頭壩一級出庫流量一般在600～2 800 m³/s之間作M型波動，每小時流量會發生較大變化（多數在1 000 m³/s以下），施工期實際最大出庫流量發生在2021年11月22日10：56，出庫流量2 690 m³/s，如圖2所示。

1.2 圍堰地形地質條件

枕頭壩二級水電站一期縱向土石圍堰位于壩址右側河水邊，地面高程570～584 m，河水深0～7 m。沿線覆蓋層深厚，為第四系河流沖積含漂石砂卵礫石。根據ZKx-14、ZKx-32等鉆孔查明，圍堰基礎分布的含漂石砂卵礫石層厚32.0～40.8 m，除圍堰下游端覆蓋層較淺外，一般都在36.0 m以上;含漂石砂卵礫石層土體結構除淺表層為松散-稍密外，一般呈中密-密實狀態。下伏基巖為峨邊群之茨竹坪組粉砂巖及粉砂質板巖、泥質板巖及炭質板巖，巖體多呈薄層狀結構，呈弱-微風化狀態，巖層陡傾、近直立。

2 圍堰施工難點和特點

（1） 枕頭壩二級水電站工程上游距離枕頭壩一級水電站4.1 km，主河床施工流量主要受已完工的枕頭壩一級水電站出庫流量及電網調控影響，圍堰水下填筑施工期間，一級電站出庫流量在600～2 800 m³/s之間波動，流量變化范圍大、時間短。

（2） 受現場實際情況限制，原圍堰填筑料源從左岸基坑水上開挖回填。實際施工過程中，受料源限制，圍堰填筑料源來源分散且無法保證填筑施工強度。

（3） 圍堰受右岸防護和河道清理制約，河床過流面最大寬度不足85 m，且河道疏浚與圍堰填筑相互交叉施工，增加了圍堰水下填筑施工難度。

（4） 受上游出庫流量M型變幅影響，且圍堰填筑料源粒徑偏小，基本在300 mm以下，低流量條件下需優先施工護坡防沖六面體，或者需保證護坡防沖六面體與圍堰填筑料同步施工。高流速段護坡六面體施工強度與圍堰填筑強度匹配是保證水下填筑進占穩定的關鍵。

（5）縱向圍堰防滲墻工程量較大（2.4萬m²），工期緊，防滲墻能否按時完成施工是該工程施工重點。

3 施工布置

3.1 施工道路布置

枕頭壩二級水電站工程道路主要依托左岸G245國道與外界聯系，受征地影響，左側基坑填筑施工時僅圍堰0+390下游側完成拆遷;結合現場實際，圍堰填筑在沿河側新增一條填筑道路，道路最小寬度9.0 m，高程581.5 m。隨著征地的進展，利用沿河側新增填筑道路以及圍堰樁號0+365～0+390主干道進行填筑施工，同時以下游側增設的填筑施工臨時道路作為圍堰施工備用通道;在場地內，修建臨時施工道路時均通過主干道與G245國道連接，臨時道路隨取料和填筑進度不斷調整，施工道路均按照不大于10%的坡度控制，如圖3所示。

3.2 防沖六面體備料場地

施工場地主要布置在左岸基坑，在上游機電金結拼裝廠以及永久拌和站場地內。設計混凝土六面體Ⅰ用量1 561 m³，塊體尺寸1.0 m×1.0 m×1.5 m（長×寬×高）;混凝土六面體Ⅱ用量13 533 m³，粒徑650 mm以上。實際施工中，考慮水下護坡厚度設計要求（設計護坡厚度1.5 m），混凝土六面體統一按照混凝土六面體I的1.0 m×1.0 m×1.5 m施工，混凝土六面體拌和通過2臺3 m³自上料混凝土攪拌車，每臺自上料混凝土攪拌車施工強度8 m³/h。場地面積約6 000 m²，一次預制成型存量約600塊。

3.3 施工用風水電

圍堰截流填筑施工用水主要為現場施工灑水、道路降塵以及防滲施工用水等。因此，現場布置1個10 m3可移動水箱，用水從大渡河直接抽取;若大渡河河水較為渾濁而無法使用時，采用1臺灑水車運輸至現場并儲存在水箱里使用。采用1臺灑水車進行道路灑水降塵。施工用風較少，因此在施工現場只需布置兩臺移動式空壓機。施工用電主要為澆筑混凝土用電，因用電負荷小，主要利用當地居民已架設線路施工。

3.4 料源規劃

防滲平臺圍堰填筑總方量18.31萬m³，主要來源為河道疏浚標開挖料、左岸基坑水上部分（7.6 萬m³）、拌和站場平開挖料（3.1萬m³）以及外購料組成。具體規劃為：① 土石圍堰填筑料工程量112 317 m³，粒徑300 mm以下，主要從左岸基坑水面以上開挖進行儲備;② 戧提料Ⅰ工程量46 330 m³，粒徑在100～300 mm，主要通過左岸拌和站場平開挖物料、從左岸基坑開挖料中選取和從河道清理標開挖物料中篩選，并在左岸空地位置堆存;③ 戧提料Ⅱ工程量10 302 m³，粒徑在340～500 mm間，主要通過左岸拌和站場平開挖物料、從左岸基坑開挖料中選取、和從河道清理標開挖物料中篩選，并在左岸空地位置堆存（與其他填筑料分開）;④ 過渡料工程量12 200 m³，粒徑在100～300 mm間，主要從左岸基坑開挖料中選取和從河道清理標開挖物料中篩選，并在左岸空地位置堆存（與其他填筑料分開）。

4 圍堰施工

施工時從上游向下游進行填筑施工（縱向圍堰最后一個轉彎段填筑完成后，采取左右兩側同時進占填筑的方式合攏）。沿高度按水面以下、水面至防滲平臺以及防滲平臺以上方向施工。

4.1 整體填筑工序

圍堰填筑主要從上游圍堰開始向下游圍堰填筑，下游合攏段采用兩側同時進占的方式施工。圍堰填筑施工采取分段流水施工，即現場圍堰填筑完成一段便進行該段防滲施工。

4.1.1 圍堰填筑施工程序

一期縱向圍堰施工總體程序為：水下全斷面拋投（同時進行混凝土六面體拋投）→防滲平臺填筑完成→防滲墻施工→混凝土蓋重施工→防滲平臺以上填筑（同時進行鋼筋石籠安裝），如圖4所示。

4.1.2 水下堰體填筑

水下堰體填筑采用從上游至下游全斷面拋投的順序施工。在水下堰體填筑過程中，時刻關注河水流速變化及迎水面填料的穩定情況。圍堰施工技術要求為：迎水面流速在3 m/s以下，坡面及坡腳防護可采用一般石渣防護;流速在4～5 m/s時，采取拋投混凝土塊體或大塊石防沖保護;流速在5～7 m/s時，可采用成串混凝土塊或鋼筋籠保護。實際施工過程中，因上游段開始樁號為0+60，填筑首先按照原施工方案進行了基坑開采的河灘料全斷面拋投，遇變幅水流后，水下堰體沖刷嚴重，后期除部分流速較小位置采用基坑河灘料全斷面拋投、護坡六面體滯后1～2 d跟進外（出庫流量在1 800 m³/s以下），其余大部分均采用護坡六面體跟進同步施工的方法，尤其是上下游轉彎段0+89～0+159和0+490～0+550段。水下堰體填筑施工水力學條件基本與模型試驗結果相近，高流速段位置基本與設計參數吻合;設計防沖流速1.83～7.12 m/s，實際施工最大流速出現在上下游段轉彎處，上游段流速略大于下游段流速;受右岸防護施工影響，最大流速發生在下游轉彎處。

圍堰水下填筑采用1.6 m3以上反鏟分別從備料場和左岸基坑水上部位挖取土石圍堰填筑料，然后采用25 t自卸汽車沿圍堰軸線位置進行拋投。

4.1.3 水面至防滲平臺填筑

水下堰體填筑完成后繼續采用1.6 m³以上反鏟從左岸水上基坑（或自購填筑料點）挖取土石圍堰填筑料進行防滲平臺至水面填筑。圍堰填筑料采用25 t自卸汽車運輸到圍堰平臺后，采用ZL50C裝載機進行填筑料攤鋪，填筑料攤鋪完成后采用26 t振動碾進行填筑碾壓。

4.1.4 混凝土六面體護坡

設計的C20混凝土六面體分別為混凝土六面體Ⅰ和混凝土六面體Ⅱ兩種規格。其中，混凝土六面體Ⅰ要求邊長1.0 m以上，混凝土六面體Ⅱ粒徑650 mm以上;要求護坡面厚度為1.5 m。為方便施工、便于質量控制護坡，六面體統一按1 m×1 m×1.5 m進行預制;預制采用2臺3 m3混凝土自上料攪拌車進行，在拋投前3 d預制完成（如氣溫過低，以5 d為宜）。預制好的預制塊統一堆放在指定位置。

4.1.5 混凝土六面體拋投

混凝土六面體采用25 t汽車吊吊裝至25 t自卸車內（每車約裝7塊），然后運至填筑現場。采用2.0 m3反鏟卸車，卸車后由2.0 m3反鏟將混凝土六面體拋投至水里。主要在低流量時拋投，同時反鏟逐個推送進行堰腳護底;護底按照不小于5 m控制。六面體露出水面后，25 t吊車吊裝混凝土塊沿圍堰坡面布置，然后采用反鏟將混凝土塊擺放整齊。預制塊單個重量約3.5 t。根據伊茲巴什公式計算、復核水下填筑過程中六面體護坡的穩定性及當量直徑。拋石塊徑計算公式為

式中：d為塊石換算為球體的當量直徑，m;g為重力加速度，9.8 m/s²;γs，γ分別為塊石密度和水密度，t/m³;v為計算流速，m/s;K為穩定系數，取0.9。計算結果如表3所示。

在實際拋投施工過程中，已施工的六面體預制塊能夠滿足現場施工需要;對于個別基礎沖刷嚴重的部位，其護底存在局部流失，在流量降低后，進行了護坡六面體修復。

5 圍堰填筑施工總體評價

枕頭壩二級水電站一期縱向圍堰填筑量18.31萬m³，受料源以及施工場地征遷影響，于2021年11月中下旬正式開始水下填筑施工。根據調整的進度計劃，應于2022年1月31日完成，實際于2022年1月20日上午圍堰合龍;最大日填筑強度7 000 m³。在克服了移民拆遷、料源不足、城區運輸條件復雜等各種不利因素后成功合龍，并提前10 d完成該工程首個節點目標。在實際施工過程中，研究了防沖體跟進、滯后施工、降低水下填筑高度等縱向圍堰施工方法。從圍堰合龍截止至今，一期縱向圍堰經過大流量高速水流沖刷，自填筑完工以來，運行良好，確保了2022年電站的安全度汛，為防滲墻施工和圍堰度汛提供了有力的保障，并為實現枕頭壩二級水電站安全度汛及蓄水發電目標奠定了堅實基礎。

6 結 語

枕頭壩二級水電站一期縱向圍堰變流量水位下的施工主要采用混凝土六面體預制塊超前或同步進占的方式進行，在防沖混凝土預制塊未跟進堰體填筑前，優先進行堰體的加寬、加高處理，以確保水下堰體填筑防沖六面體按照設計要求防護到位;同時，對照同期施工同類壩型的下游沙坪一級水電站四面體防護縱向圍堰，同樣需要防沖體優先或同步跟進，否則無法保證水下堰體的穩定性。在遇變幅流量，特別是料源不理想的情況下，料源流失接近60%～80%，經過施工現場參建四方會議協商以及多次技術討論，一致認為縱向圍堰水下填筑的進占受護坡施工進度影響，在護坡施工未及時跟進的情況下，不能盲目進行水下填筑進占;同時經兩個電站對比施工發現，六面體防沖較四面體施工更快、更便于碼放，但存在不容易拋投的缺點。徑過現場不斷摸索、研究與實踐認為，變幅流量下縱向圍堰防沖體設計和施工是圍堰施工的關鍵，對圍堰結構穩定和料源流失影響較大。

該工程大變幅流量縱向圍堰水下填筑的施工經驗，對今后類似工程的土石圍堰的設計和施工有一定參考和指導作用。同時，建議類似工程可采用四面體、六面體組合防沖體施工：坡腳采用四面體拋投，上部采用六面體防沖的形式作為變幅流量縱向圍堰的設計進行施工。

（編輯：高小雲）