高利军

(四川大唐国际甘孜水电开发有限公司,四川 康定 626001)

1 概 述

官地水电站位于雅砻江干流下游、四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内,系雅砻江卡拉至江口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站,总装机容量2 400MW。上游与锦屏二级电站尾水衔接,库区长约58 km,下游接二滩水电站,与二滩水电站相距约145 km。距西昌市公路里程约80 km。

官地水电站采用土石断流围堰、隧洞导流、基坑全年施工的导流方案。初期导流建筑物包括导流洞与上下游围堰。2条导流洞分别布置于左、右岸,断面尺寸为16 m×19 m(宽×高)。左岸导流洞进口底板高程1 204.00m,出口底板高程为1200.00 m,洞身长744.137 m,纵坡5.38‰;右岸导流洞进口底板高程1 204.00 m,出口底板高程为1 199.881 m,洞身长1 018.6 m,纵坡4.04‰。

2 设计推荐截流设计

2.1 地形地质条件

根据河床的地形地质资料,戗堤附近的主河道明显偏右岸,靠左岸侧地形比较平缓,右岸形成深槽;河床覆盖层最厚约33 m,其中靠左岸侧的含漂卵砾石夹砂层的结构比较松散,抗冲刷能力较差。见图1。

图1 戗堤轴线地质剖面

2.2 截流设计

在招标阶段,根据截流水力计算及模型试验,流量810 m3/s与流量981 m3/s相应方案的各项指标接近,二者相差较小。考虑为围堰施工尽早创造条件,推荐采用11月下旬、10 a一遇旬平均流量981 m3/s、双戗截流方案,即:11月下旬采用2条导流洞分流、双戗堤立堵截流。截流戗堤轴线分别在上围堰轴线上游40m和下游63 m处;戗堤顶宽25m,上戗堤顶高程1 214.6 m,下戗堤顶高程1 211.9 m。

采用左、右岸双向预进占,左岸预进占长度按右岸的2倍考虑,截流合龙进占时,按双向进占考虑,且右岸进占速度按左岸的2倍考虑。

3 截流方案研究

3.1 截流特点

根据前期设计院初步研究截流方案,官地水电站截流施工有以下几个特点:

(1)截流落差大、流速高(以流量981 m3/s双戗为例:落差7.04 m,平均流速5.2 m/s)。

(2)场内施工道路条件差,且运距远(右岸 3.8 km,左岸3.5 km)。

(3)导流洞分流条件差[1],以截流流量981m3/s为例,采用宽戗、双向、双洞分流条件下的导流洞分流情况见表1。

(4)业主提供的截流石渣料粒径小。

(5)龙口在右岸合龙时水深大、流失量大,截流难度也大。

表1 流量981 m3/s、双洞分流不同工况对应分流比

3.2 解决方案策划

针对以上特点,充分研究了现场条件,为从技术上减小施工难度、实施方案更可靠,提出了以下优化设想:

(1)设计院推荐的设计截流方案为2条导流洞分流、左右岸双向双戗(戗堤宽度25 m)立堵进占方案,双戗具有抛投强度高、窄戗堤组织困难等特点[2],由于官地水电站交通条件差、料源紧张等难点,结合最近几年金安桥等大型水电站[3,4]的截流实践经验,采用宽戗截流有利于组织施工。

(2)根据设计院开展的截流模型试验,宽戗截流最大截流落差达到6.97 m〔最大平均流速5.5 m/s,最大单宽流量24.2m3/(m·s),最大单宽功率 102.4 t·m/(s·m)〕,截流难度较大。故提出下游围堰辅助进占减小落差的想法[5,6],如能将上游截流戗堤落差控制到5 m以内,则截流会更有保障。

(3)原截流方案龙口位置选在河道中心线偏右的深坑处,这样就使截流水深加大,将截流难度集中,根据截流模型试验,流失量比较大。对此提出了将龙口位置调整到靠左岸河床较浅的位置,为防止对左岸龙口部位的覆盖层造成冲刷,提出了护底的设想[7]。护底方式具体做法是沿戗堤轴线按高程1 209 m、顶宽20 m,向河床方向进占41m形成一道子堤,之后再从子堤端部向岸边回退约28 m范围内,将子堤降低至1 206 m完成护底工作。见图2。

图2 护底方法示意图

(4)由于导流洞分流条件差,故提出了在左右岸导流洞进口下游侧修建丁坝改善分流条件。

3.3 试验方案

为验证以上设想对减小施工难度是否有效,初步对各种思路确定了施工程序,进行了截流模型试验,主要采取的工况组合见表2。

表2 模型试验工况表

3.4 试验结果分析

3.4.1 截流时间与标准

试验研究了4个控制流量:981 m3/s(11月下旬、P=10%)、810m3/s(12 月上旬、P=10%)、702 m3/s(12 月中旬、P=10%)、609 m3/s(12月下旬、P=10%)。在各种截流方式下,随着流量的增加,截流落差、龙口最大平均流速等水力学指标相应地增大。

从试验数据看出,采取工程措施后,流量981 m3/s(11月下旬、P=10%)时的水力学指标有所降低。例如:工况1K(流量981 m3/s、有丁坝、护底、宽戗45 m、下游围堰戗堤不跟进)最大落差6.66 m,最大平均流速5.2 m/s,最大单宽流量16.7 m3/(m·s),最大单宽功率 87.5 t·m/(s·m)。 为了给后续防渗墙施工赢得时间,可以尽早截流,但是考虑到11月下旬导流洞尚不具备分流条件。因此采用12月上旬、10 a一遇旬平均流量810 m3/s截流。

3.4.2 截流方式

从试验过程观察,比较截流水力参数,宽戗60 m与宽戗45 m相应的龙口各项指标相差较小,故采用45 m宽戗方案。通过有丁坝合龙试验与无丁坝合龙试验对比知,丁坝对龙口的水力学指标影响较小。虽然丁坝使分流点水位壅高,增加了导流洞的分流能力,但对降低龙口合龙难度作用不是很明显,从经济角度对比分析后不采用丁坝方案。

前期水工模型试验采用宽戗截流方案时,龙口最大落差达到6.97 m,龙口平均流速达到5.5 m/s,截流存在较大难度。因此提出了下游围堰处提前预进占以分担上游龙口水位落差的设想。下游围堰跟进与不跟进试验对比可知,下游围堰跟进可以最多承担上游围堰戗堤的1.5 m落差,发生在进占前期,而在合龙阶段效果不明显,水力学指标相差不多。

根据以上研究,结合国内外大型工程截流试验和实践经验,综合考虑施工组织、抛投强度及大型施工设备运行等条件,最后采用无丁坝、护底、宽戗堤45 m、进口2 m岩埂、下游围堰戗堤不跟进、双洞分流的截流方式。

3.4.3 戗堤轴线

戗堤轴线布置在上围堰轴线上游30 m处,戗堤顶宽45 m,从戗堤与防渗墙的位置关系考虑,戗堤轴线位置是合理的。

3.4.4 护底方式

为解决龙口位置在右岸深坑处造成流失量大、截流难度集中的问题,将龙口位置调整到左岸,而左岸河床为卵砾石夹砂层,抗冲能力差,必须护底。具体做法是沿戗堤轴线按顶高1 209.0 m、宽20 m、向河床方向进占41 m,形成一道子堤,之后在从子堤端部向岸边回退约28 m范围内,用长臂反铲倒退着将子堤降低至1 206.0m完成护底工作。

试验模拟设计方案中的护底方式,采用粒径0.6 m～1.0 m的块石护底,护底堤头没有冲刷流失,堤头平均流速3.5 m/s。因护底堤头流速不是很大,实际施工时采用0.6 m～0.8 m的中石护底即可,然后用0.8 m～1.0 m块石或铅丝笼护脚。

护底后分流点水位1 206.9 m,戗堤上游位置水位1 207.2 m(流量981 m3/s)。护底平台上水深1.2 m,主流仍在护底堤头与右岸预进占之间的河床内,给合龙的前期阶段(80 m～50 m)带来了难度,增加了大块石的用量,因此实际施工时要尽可能的降低左岸护底平台的高度。

护底后,截流戗堤的左右岸上挑角,尤其右岸上挑角的流速大大的降低,合龙过程中右岸上挑角的平均流速不大于2.5m/s(没有护底时为3.6 m/s),因此合龙过程中尽量采用在上挑角5 m～10 m的范围内抛投,形成防冲矶头,然后跟进。

基于护底后,戗堤的上挑角的平均流速降低,上挑角抛投更容易,护底轴线下移5 m后,龙口水面线上挑角段变缓,上挑角的流速也降低(例如流量810 m3/s、有丁坝、宽戗45 m、下游围堰戗堤不跟进、龙口宽50 m时,护底轴线下移时,上挑角平均流速2.1 m/s,护底轴线下移5 m后为1.4 m/s),因此有利于上挑角抛投和堤头的稳定。试验发现截流戗堤上挑角抛投范围扩大为10 m～20 m,从而增加了抛投量,更有利于实现快速合龙。因此,将护底戗堤的轴线向下游平移5 m。

3.4.5 龙口位置宽度与预进占

预进占模拟试验工况为Y2:右岸导流洞分流、进口2 m岩埂、宽戗45 m双向立堵预进占。护底完成后预进占,左岸预进占20 m,右岸预进占23.8 m,预进占时戗堤高程为1 214.5 m,主要用开挖石渣进占块石及铅丝笼护面,预留龙口宽度为80m。

左岸利用石渣料(粒径为15 cm～30 cm开挖料等弃渣)作预进占抛投材料,进占20 m,右岸采用0.4 m～0.6 m粒径的石渣进占23.8 m至龙口宽80 m,石渣料没有流失。右岸继续用0.4 m～0.6m粒径的石渣进占5m至龙口宽75m,石渣料开始流失,因此,设计预留龙口宽度80 m是合理的,左岸戗堤头部用块石(粒径为40 cm～60 cm)做裹头保护,右岸堤头部用块石(粒径为60 cm～80 cm)做裹头保护。

预留龙口80 m时,分流比为15.2%,导流洞洞前水位为1 207.70 m。

3.4.6 截流施工程序

根据分析和试验观测,结合官地现场实际施工进展情况,合理的程序是先进行护底,接着下游围堰戗堤预进占,最后进行上游戗堤预进占。

流量981m3/s(11月下旬)时,试验测得每一项工作实施后的水位为:护底后分流点水位1 206.9 m,戗堤上游水位1 207.2 m;下游围堰戗堤预进占至50 m后,分流点水位:1 207.5 m,戗堤上游水位:1 207.15 m;上游围堰戗堤预进占至80 m后,分流点水位:1 207.8 m,戗堤上游水位:1 207.4 m。

截流时间确定在12月上旬(工况11K),合龙后戗上水位1 212.06 m,因此,初定的戗堤顶高程 1 214.5 m偏高,考虑1.44 m的安全超高,戗堤高程采用1 213.5 m合理。

4 截流实施

左右岸导流洞于2007-11-25分流,截流护底于2007-11-25开始进行,于2007-11-28完成护底。

根据截流模型实验结果,护底改为两道,并将护底平台高程降低,导流洞分流后首先从左岸分别沿戗堤轴线、戗堤轴线下游30m按顶高1 208.5 m、宽5 m向河床方向进占40 m,形成两道护底平台;之后再从两道护底平台端部向岸边回退约28 m范围内,用长臂反铲倒退着将子堤降低至1 205.5 m完成护底工作,拆除料甩至护底平台两侧;护底所用的材料选用粒径为60 cm～80 cm的大块石料,裹头部位采用铅丝笼防护。

护底完成后进行左右岸戗堤预进占,左岸向河床方向预进占20m,右岸预进占20.7 m,戗堤高程为 1 213.5 m,顶宽为45 m,主要用开挖石渣进占、用块石及铅丝笼防护裹头部位,预留龙口宽度为80 m。

左、右岸戗堤预进占完毕,达到截流合龙要求、预进占裹头防护检查合格,开始合龙。正式截流开始于2007年12月1日上午8点10分,开始龙口只从右岸进占,至晚上 8点30分龙口宽度剩余34.4 m时开始双向进占,于2007年12月2日3点40分截流成功,历时17.5 h。进占方式见图3。

图3 进占合龙示意图

官地水电站截流历时17.5 h,实际抛投强度1 250 m3/h,龙口最大平均流速7.4 m/s。截流时间17.5 h是同规模工程中截流速度较快的,截流实际流失量小于5%。

5 结 论

本文在设计院前期工作的基础上,充分分析了水力学参数、施工条件和难度、抛投物数量和性质,提出了宽戗代替双戗的截流方案,并通过大量的技术研究和试验工作,实现了在抛投强度不高、交通条件差、抛投料质量差的情况下,实现截流速度较快、流失量非常小的水平。

宽戗截流是介于双戗和单戗截流之间的一种技术,可以弥补双戗截流抛投强度要求大、组织复杂等缺点。在抛投强度不高、交通条件差的条件下具有很强的适应性,今后类似的工程可以借鉴参考。龙口护底一般采取抛石或抛铅丝笼的方式进行,而本文中非常巧妙利用了地形的特点,在龙口段的浅河床侧先进占子堤,然后用长臂反铲退回将子堤降低完成护底,为截流护底设计技术另辟了一条新思路。

[1]贺昌海.官地水电站实施阶段河道截流模型试验研究报告[R].武汉:武汉大学,2007.

[2]水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册(第一卷)[M].北京:中国水利水电出版社,1996:526-528.

[3]徐银林.金安桥水电站大流量截流条件下的截流施工[J].中国水利,2007,(6):47-48。

[4]徐千群,方朝阳,冯守印,等.降低立堵截流难度的措施研究[J].水利与建筑工程学报,2008,6(1),79-81.

[5]谭靖夷主编.中国水力发电工程·施工卷[M].北京:中国电力出版社,2000:76-77.

[6]夏仲平主编.水利水电工程施工手册·施工导(截)流与度汛工程[M].北京:中国电力出版社,2005:30-31.

[7]SL303-2004.水利水电工程施工组织设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2004:14-15.