漢江雅口樞紐工程二期截流設計

梁宇哲，蔡 戀

（中國葛洲壩集團勘測設計有限公司水利水電設計院，湖北 武漢 430073）

截流在水利水電工程中是重要的關鍵項目，也是影響工程施工進度的一個控制項目。如果截流不能按時完成，將制約圍堰施工，直接影響圍堰度汛的安全，并將延誤永久建筑物的施工工期；如果截流失敗，失去了枯水期的良好截流時機，將拖延工程施工期；對于通航河道，還可能造成斷航的嚴重后果。因此，一定要綜合縝密分析研究，提出切實可行的截流方案，保障截流成功，通過截流水力學計算，以確定截流過程中的落差、單寬流量、單寬能量、流速等水力學參數及其變化規律，再擬定截流戧堤進占程序及相應的截流拋投材料規格。本文將以漢江雅口樞紐工程二期截流設計過程為例來進行相關說明。

湖北漢江雅口航運樞紐工程位于漢江中游丹江口—鐘祥河段、湖北省宜城市下游15.7 km 處，上距丹江口水利樞紐203 km，下距河口446 km，是漢江干流湖北省內梯級開發中的第6 級，其上下游分別與崔家營梯級和碾盤山梯級銜接，距上游崔家營梯級約52.67 km，距下游碾盤山梯級約59.38 km，樞紐主要建筑物包括船閘、泄水閘、電站、土石壩、魚道等，是一座以航運為主，結合發電，兼顧灌溉、旅游等綜合效益的大（2）型航運樞紐工程。

本工程采用分期導流方式，一期先圍右岸，利用左岸束窄后的原河床過流，二期再圍左岸，利用一期已建的右岸15 孔泄水閘過流，二期截流于2019 年12月實施，截流標準依據SL 623—2013《水利水電工程施工導流設計規范》，可采用截流時段重現期5—10 年的月或旬平均流量，本次設計選取600 m3/s 實測流量進行計算，選取5 年一遇12 月平均流量1 130 m3/s 進行復核。

雅口樞紐工程二期截流平面布置圖如圖1 所示。

圖1 雅口樞紐工程二期截流平面布置圖

1 地質條件

壩址區河谷開闊，呈淺“U”形，河床寬淺，地形上左岸為河漫灘，寬約182 m，地面高程50.0 m 左右，其后緣接基巖岸坡，岸坡頂部為Ⅱ級階地，右岸為Ⅰ級階地，臺面寬1 800～3 500 m。壩軸線處水面寬約980 m。漢江主河道位于偏左岸的河床，水面寬約500 m，水深一般3.0～6.0 m，最大水深7.0 m 左右，江底高程多為41.5～44.4 m。

二期上游圍堰位于壩址上游河床，地面高程38.7～43.8 m。河床上部為粉細砂，厚2.7～8.7 m；下部為砂礫石層夾粉細砂透鏡體，厚6.0～11.7 m?；鶐r面出露高程為30.0～34.2 m?；鶐r主要為新近系黏土巖、粉細砂巖和疏松砂礫巖。

二期下游圍堰位于壩址下游河床，地面高程40.2～45.5 m。上部為粉細砂，厚1.7～10.1 m；下部為砂卵礫石層夾粉細砂透鏡體，厚6.9～17.3 m?；鶐r面出露高程河床為25～35 m?；鶐r主要為新近系黏土巖、粉細砂巖和疏松砂礫巖。

2 龍口位置選擇

通常龍口段在分流建筑物分流后進占，截流難度出現在龍口段拋投進占至合龍，故龍口位置選擇至關重要。

經過測量分析，上游橫向圍堰軸線方向河床地形起伏較大，靠近一期圍堰上游裹頭附近和主航道位置河床較低；下游圍堰橫向段軸線方向河床地形平坦，主航道位置略深。

上游橫向圍堰處河道寬度約394 m，右岸臨近一期圍堰上游裹頭下游側，左岸岸坡高程為52.9 m；下游橫向圍堰處河道寬度約435 m，右岸臨近一期圍堰下游裹頭上游側，左岸岸坡高程為49.3 m。上游河道較窄，水深、流速較大，且一期圍堰填筑的護坡、護底為塊石，清除工程量大、難度高；下游河道較寬，流速較小，一期圍堰運行期內受沖刷較小，塊石清除工程量小、難度低。

左岸施工道路主要利用已有的進場道路，道路位于下游圍堰下游側，與下游圍堰軸線相連接，上游圍堰需新建臨時道路；右岸施工道路主要是一期圍堰堰頂道路，在一期圍堰拆除過程中利用料在一期圍堰縱向段進行備料，二期圍堰填筑過程中利用備料區作為施工平臺。

通過上述條件分析，綜合考慮材料準備和施工難度，龍口選擇在下游橫向圍堰處。

3 龍口段水力學特征[1]

龍口合龍過程中，分流建筑物已泄流，河道流量從分流建筑物和截流龍口同時向下游宣泄。龍口開始進占時，口門較寬，水流仍為明渠流。由于戧堤進占時使過水斷面在水平方向上收縮，產生局部能量損失，同時過水斷面減小，流速加大，部分勢能變成動能形成水面跌落，形成寬頂堰流。

戧堤進占深入河道中，使水流被束窄，流速加大，口門中部形成集中收縮的主流直沖下游，呈三向水流。在戧堤頭部作用下，形成帶有旋渦的分離線，把龍口水域分成回流區、紊動區、主流區。

隨著戧堤進占，龍口逐漸束窄，落差增大，口門水流流態由淹沒流變為非淹沒流，最大流速出現在淹沒流過渡到非淹沒流的臨界狀態，龍口斷面束窄到三角形過水斷面后，口門縱向水面線上段趨于平緩，流速也減低較快，龍口合龍時，流速趨于零，但落差最大。

4 龍口段水力學計算

在截流過程中，分流建筑物為一期右岸已建15 孔泄水閘，有效泄水孔為12 孔，每孔寬為14 m，底板高程為44 m，泄流能力按閘孔過流公式（1）計算。

截流設計流量在截流過程中分為4 部分，按照公式（2）計算。

式（2）中：Q為截流設計流量；Qg為龍口泄流量；Qd為分流建筑物泄流量；Qr為上游河槽調蓄流量；Qs為截流戧堤滲流量。

截流涉及水力計算時，可將Qr與Qs作為安全裕度，一般可不予計入。

計算基本假定為：①不計戧堤滲透流量及水庫蓄調對上游水位的影響；②視龍口為梯形或三角形過水斷面的寬頂堰。

計算基于簡化的寬頂堰理論，即假定：①檻頂水面是平的，忽略波狀水面的影響；②非淹沒流時檻上水深取為臨界水深（hp=hk）；③淹沒流時檻上水深取為下游水深（hp=hn），不計回彈落差。

式（3）中：m為考慮收縮側影響在內的流量系數，本工程取0.32；Bcp為口門平均水面寬，m；H為龍口上游水深，m。

式（4）中：S為戧堤軸線方向的邊坡坡度，取1.5；hk為臨界水深，m，采用式（5）、式（6）迭代試算；b為龍口底部寬度，初始寬度取150 m，后續取120 m、100 m、80 m、60 m、40 m、20 m、10 m、5 m、3 m、0 m 計算。

當口門為梯形過水斷面時：

式（5）中：Wk為臨界水深hk時相應的口門過水斷面面積，m2；Bk為臨界水深hk時相應的口門過水斷面寬度，m。

當口門為三角形過水斷面時：

拋投料粒徑計算如下：

式（7）中：d為折算成圓球體的直徑，m；vmax為最大流速，m/s，計算時取龍口軸線平均流速；k為綜合穩定系數，取0.9；g為重力加速度；ρm為拋投體密度，塊石取2.6 t/m3；ρ為水的密度，取1 t/m3。

當龍口底寬一定時，求得此龍口寬度下的泄流能力，與泄水閘泄流能力疊加形成聯合泄流曲線，根據聯合泄流曲線確定龍口與泄水閘的分流量，進而計算出龍口各項水力指標，求得600 m3/s 和1 130 m3/s 流量下不同龍口寬度的水力學特性，如表1、表2 所示。

表1 600 m3/s 流量下龍口不同寬度的水力特性計算表

根據水力學計算成果，當龍口寬度為40～150 m時采用粒徑20～35 cm 塊石料，當龍口寬度小于40 m時，采用粒徑35～50 cm 塊石料，另預制2 m×1 m×0.6 m 混凝土塊備用。

5 龍口段進占程序

左岸側塊石戧堤沿圍堰下游結構邊線自岸坡向龍口部位進占約110 m，右岸側塊石戧堤沿圍堰下游結構邊線自一期圍堰坡腳向龍口部位進占約185 m，堤頭頂寬為10 m，二期截流充分利用一期圍堰拆除土石料，塊石戧堤進占30 m 后，即開始內側填筑料填筑，形成防滲施工平臺并用作截流備料場地。

為減小截流過程中水流對河床的沖刷，龍口段預先采用塊石料進行平拋護底，平拋護底寬50 m，長度與龍口寬度一致，為150 m，龍口段采用雙向立堵進占方式。

6 結束語

在河道截流過程中不僅要確定龍口段各水力學參數及拋投體規格等，還要考慮截流過程中各種特殊情況，提前準備應急預案，如遇龍口拋投材料大量流失、裹頭出現被沖毀的跡象、截流流量超標等，應采取加大拋投強度、調整拋投材料粒徑及類型等措施，綜合分析，及時調整截流方案。