黄金坪水电站截流规划设计

周德彦，程保根，张俊洁

（1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072；2.中国水利水电科学研究院 国家水电可持续发展研究中心，北京 100038）

1. 工程概况及导流建筑物特性

黄金坪水电站处于大渡河上游河段，系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级电站。黄金坪水电站是以发电为主的大（Ⅱ）型工程，无航运、漂木、防洪、灌溉等综合利用要求。黄金坪水电站枢纽建筑物由沥青混凝土心墙堆石坝、左岸引水发电系统、左岸泄洪洞、左岸溢洪道及右岸小厂房系统等建筑物组成。电站装机850MW，正常蓄水位1476.00m，坝顶高程1481.50m，最大坝高95.5m。枢纽工程为二等大（2）型工程，主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。

根据水文特性、地形地质条件和水工枢纽布置特点综合比较分析，黄金坪水电站采用一次断流围堰挡水、导流洞及泄洪（放空）洞联合泄流、主体工程全年施工的导流方式。根据坝址区地形地质条件及工程布置特点，右岸布置一条导流洞，隧洞断面尺寸15.0m×16.0m（宽×高）。泄洪（放空）洞布置在左岸，进口高程1420.00m，平板检修闸门孔口尺寸为12.0m×13.5m（宽×高），洞身按有压接无压的方式布置，有压洞段总长370.38m，为圆形断面，洞径13.5m，有压洞段后接一弧形工作闸门控制室，弧形闸门尺寸11.4m×10.0m（宽×高）。当遭遇初期导流标准洪水时，导流洞及泄洪（放空）洞联合泄流，上游围堰堰前水位1444.32m，上游围堰最大高度约为38.5m。

由于布置在左岸泄洪（放空）洞进口高程较高，不参与工程截流。布置在右岸的导流洞是主河道截流后的唯一过水通道，将于2011年11月30日前实现分流。导流建筑物特性见表1。

2 截流时段的选择

根据《水电工程施工组织设计规范》（DL/T 5397-2007）规定，截流标准可采用截流时段5～10年重现期的月或旬平均流量。考虑到本工程规模较大，其提前发电的经济效益及社会效益显著，而截流工程的成败将直接影响发电工期，故截流标准采用10年一遇洪水重现期。

根据施工分期洪水，结合实测洪水资料分析，本工程河床截流安排在汛后枯水期进行。枯水期各月平均流量频率分析成果见表2。汛后11月月平均流量最大，之后逐渐减小，2月最小。

截流时段的选择应兼顾截流难度和围堰施工等因素。本工程截流时参与分流的只有导流洞，虽然导流洞进口分流条件较好，但导流洞过水断面宽度较小，只有15m。上游围堰最大堆筑高度约38.5m，河床段防渗墙最大深度约60m，且围堰施工须在一个枯水期内完成，工期较紧。综合分析截流条件及围堰工期要求，按工程计划安排，截流时段选择在2011年12月上旬，对应设计流量463m3/s。不同截流时段截流水力学指标见表3。

通过不同截流时段对应流量指标计算分析，12月上旬截流指标较高，但当前技术发展与机械设备等综合考虑可以满足成功截流，且在围堰施工工期上能满足整个工程计划安排。

表1 导流建筑物特性表

3 截流设计

根据本工程地形地质条件、水文条件及导流洞泄流能力等因素，经水力计算分析、截流物理模型试验验证，并参考国内外大型工程截流的成功经验，确定本工程采用立堵截流方式。

由于双戗截流施工组织较复杂，截流工程量亦大于单戗截流。本工程截流河段上、下游围堰相距约420.0m，在上游围堰到坝轴线之间河段的河床坡降约为2.0%(下游围堰处河床高1408.5m，坝轴线处河床底高程约为1402.50m)。如果选用双戗立堵截流，由于河床比较陡，下戗堤龙口壅水不易使上龙口形成淹没流，从而失去双戗立堵的作用。结合黄金坪水电站截流的实际情况，进行水力计算及截流模型试验验证，可以采用单戗立堵截流。

黄金坪水电站上游围堰范围内原河床有约3.0m的坑存在（坑底高程为1407.0m），到上游围堰的下游侧时原河床高程增加为1411.4m。由于截流段河道右岸山体比较陡峭，不便设置碴料场，河道主流又位于右侧，而左岸较为平缓开阔，便于截流材料的堆放和运输。故预进占完成后，宜采用从左向右的单向进占方式截流。

3.1 戗堤布置

1）设计原则

①满足抛投强度，满足设备运行要求；

②确保戗堤的稳定及抗水流冲刷；

③满足合龙后堰前水位的安全超高。

2）高程确定

根据设计资料：12月上旬截流合龙时，戗堤前上游水位1420.14m（未考虑戗堤渗流），故龙口段戗堤顶高程拟定为1421.00m。戗堤预进占段一次性填筑至EL1422.00m高程，完成截流后，全断面填筑加高至防渗墙施工平台设计高程EL1424.50m。

3）平面布置

本工程截流填筑料主要取至上游左岸2＃渣场的前期施工明挖渣料，左岸滩地可布置截流临时道路至戗堤左岸，右岸预进占填筑料可通过围堰上游临时桥至戗堤右岸，截流备料堆放在左岸上游戗堤下游较平坦滩地上。为降低道路运输强度和堤头抛投强度，预进占由左右岸分别进占形成裹头，考虑截流填筑料来源、交通便利条件以及抛投强度要求，龙口段从左向右单向进占。

截流戗堤通常为围堰堰体的一部分，单戗堤立堵截流戗堤一般布置在上游围堰内，以便围堰闭气后基坑抽水和上游围堰的提前填筑。上游围堰与大坝弃渣压重体结合布置，而上游围堰堰脚距导流洞进口仅25m左右，故截流戗堤与上游围堰结合布置。结合现场实际，为保证上游围堰施工工期，确保2012年汛前围堰具备拦挡设计洪水能力，考虑与围堰背水侧的堆石排水棱体相结合和方便防渗墙的施工，戗堤轴线布置在上游围堰轴线下游37.75m，高程1421.00m轴线长度约170m。

表2 枯水期各月平均流量频率分析成果表（单位：m3/s）

表3 不同截流时段截流指标比较表

图1 截流戗堤平面布置图

4）结构布置

为确保截流时5辆20t自卸汽车同时卸车及1000m3/h的抛填强度，上游截流戗堤顶部宽度为25m，梯形断面，迎水面、背水面坡度均为1：1.5，堤头坡比为1：1.25。

3.2 龙口位置、宽度

龙口位置的选择通常应考虑下列因素：

1）龙口尽量选在河床覆盖层较薄处或基岩裸露处，以免合龙过程中，河床覆盖层冲刷，引起截流戗堤塌滑失稳；龙口处河床不宜有顺流向陡坡和深坑，如选在基岩面突变的河床，应采取措施确保截流戗堤稳定。

2）对无通航要求的河道截流，龙口选在浅槽处可减少合龙工程量。

3）综合截流物料来源、堆存，运输等条件以及龙口合龙争取一向（一岸）或双向（两岸）进占的方式，尽量使截流戗堤用料合理、施工强度均衡。龙口近岸处宜设截流基地堆放合龙抛投料并便于布置交通道路，以利于高强度抛投进占。

黄金坪水电站坝址区河床覆盖层较厚(最深处约140.0m)，且河床段分布较为均匀。综合考虑戗堤处的地质、地形条件、截流物料的来源、堆存、运输等条件和预进占难度，黄金坪水电站截流戗堤的龙口在河道右侧。右岸采用石渣料进占并用特大石或块石串(钢筋石笼)裹头到戗堤长度15m，特大石或块石串(钢筋石笼)厚度不得少于5.0m；同时左岸用石渣料进占到龙口宽度60.0m时预进占结束。

3.3 截流水力计算

1）计算条件

①采用戗堤轴线实测断面，龙口段河床底部高程平均为1410.0m高程；

②水位-流量关系曲线采用设计提供的坝轴线水位-流量曲线数据，见表4；

③计算流量Q=463m3/s，12月上旬10年一遇旬平均流量，确定龙口段戗堤顶高程为1421.00m。

2）计算内容

求算导流洞上游水位（H上）与泄流量（Q d）关系曲线；

不同龙口宽度的上游水位（H上）与龙口泄流量（Q g）关系曲线。

①计算基本假定及原理

表4 坝轴线位置水位与流量关系

a. 不计戗堤渗流量及水库调蓄对上游水位的影响；

b. 视龙口为梯形或三角形过水断面的宽顶堰；

c. 简化的宽顶堰理论：槛顶水面是平的，忽略波状水面的影响；非淹没流时槛上水深为临界水深（hp=hk）；淹没流时槛上水深取为下游水深（hp=hn）。

②计算公式及计算过程

a. 导流洞分流量计算公式（根据短洞与长洞的判定条件，属于短洞）《水力计算手册》（2006第二版）其中：b—导流洞过水断面宽度，15m；—淹没系数，自由出流，取1；m—流量系数，进口翼墙较平顺，断面收缩较少，取0.33。

c. 根据截流设计流量 相应的下游水位，分别在此固定下游水深时，假定不同龙口宽度分别求出上游水位与龙口泄流量的关系曲线。

③不同龙口宽度水力特性计算

计算出 （初拟龙口宽度60m）的各项水力指标：平均最大流速为4.72m/s，落差最大为6.85m，各项水力指标如图2。

3.4 截流材料选择

图2 龙口水力特性曲线图(Q=463.0m3/s)

在截流合龙时，合理选用截流材料的尺寸和重量，是截流成败的关键，截流材料的尺寸或重量取决于龙口流速。根据水力学计算指标，参照相关工程截流施工实践经验，截流抛投分别选择石渣料、中石、大块石（石串）、钢筋石笼。

1）龙口分区及抛投材料选择

根据各工况下的水力计算指标，龙口宽度拟定为60m。

并将戗堤作如下划分：

①非龙口段(176m～82m)

进占戗堤顶部控制高程1422m，顶宽25m，根据Q=463m3/s水力计算指标，平均流速≤4.7m/s，最大平均流速4.7m/s。在预进占过程中，石渣填筑高出水面1～1.5m即进行分层碾压加高，并滞后戗堤进占向上游防渗墙平台填筑加宽。

②龙口段（60m～0m）

预进占区段内河面束窄较少，流速较低，采用端部抛投石渣料进占，接近龙口Ⅰ区时，流速增大，石渣料无法稳定堤头时，停止进占，采用中石裹头；

龙口Ⅰ区：龙口宽度60m～45m，龙口平均流速4.7～5.2m/s，最大落差2.01m；在左戗堤上挑角抛投中石，随后用中石及时跟进。

龙口Ⅱ区：龙口宽度45m～20m，龙口平均流速4.6～5.3m/s，最大落差5.64m；在左戗堤上挑角抛投特大石或块石串，随后及时用大石跟进。

龙口Ⅲ区：龙口宽度20m～0m，龙口平均流速4.6～0m/s，最大落差6.85m。在左戗堤上挑角抛投特大石或块石串，中后部大、中石跟进，直至合龙。

2）截流备料量的确定

根据水力学计算指标，Q=463m3/s工况下龙口备料总量为5.56万m3，其中大石25900m3、中石23600m3，钢筋石笼800个，石串200个。

3.5 截流施工布置

根据工程截流场地布置、交通条件、料场开采规划，河左、右岸均具备修筑截流道路条件，右岸可利用原有省道S211公路拓宽、加固改造形成截流交通通道。分析截流进占抛投强度、场地条件及交通运输要求，结合截流备料规模，截流备料场地布置在左岸上游围堰下游侧河滩平台上。根据截流水力计算，并考虑截流过程抛投物料流失量来进行截流备料量。

4 截流模型试验成果

鉴于本工程截流流量较大，又是单洞分流，为进一步研究截流水力指标，本阶段进行了施工截流动床模型试验研究，以下为主要成果：

1）截流方案：采用从左向右的单向进占立堵截流，龙口宽度60.0m。

2）戗堤形式：戗堤上、下游边坡1∶1.5，头部边坡1∶1.3，戗堤堤顶宽度30.0m。

3）截流材料：宜选用石渣料、中石、大块石和特大石作为主要截流抛投材料。

4）龙口水力学指标：十二月上旬截流时(Q=463.0m3/s)，龙口最大单宽流量为17.06m3/s·m，最大单宽功率为76.78t·m/(s·m)，对应龙口宽度均为30.0m；戗堤轴线处最大平均流速为5.53m/s，对应龙口宽度为45.0m；戗堤合龙后的最终截流落差为6.50m。

5）龙口抛投量和储备量：十二月上旬当预留龙口宽度为60.0m时，合龙阶段抛投料的备料量分量为：小石0.23万m3、中石1.83万m3、大石1.90万m3、特大石或块石串(钢筋笼)为1.00万m3。

5 结论及建议

根据水力学计算成果及模型试验成果，推荐采用单戗堤单向进占的立堵截流方案；龙口布置在左岸，龙口宽60m，戗堤顶宽25m，经截流水力计算及截流模型试验研究，截流时间安排在汛后退水期的12月上旬，设计流量取10年一遇旬平均流量463m3/s。现场需加强水情预测预报工作，在不超过设计流量条件下，可科学选择具体截流时间。为减小截流难度、降低截流戗堤顶高程，导流洞进出口围堰应尽可能拆除到设计高程。

致谢：成都院何兴勇教授级高工在文章的编写过程中给予很多指导，在此表示感谢！

[1]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院. 黄金坪水电站可研报告施工组织设计[R]. 2009.

[2]四川大学. 黄金坪水电站截流模型试验报告[R]. 2011.

[3]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[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1997.

[4]颜宏亮, 于雪峰. 水利工程施工[M]. 郑州: 黄河水利出版社, 2009.

[5]DL/T5397—2007水电工程施工组织设计规范 [S].

[6]高一军. 锦屏一级水电站大江截流设计[J]. 湖北水力发电, 2008, (4): 39～41.