梳齿截流技术在安谷水电站二期截流施工中的运用

王升德，孔云洲

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610081)

梳齿截流技术在安谷水电站二期截流施工中的运用

王升德，孔云洲

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610081)

安谷水电站二期截流河床砂卵石覆盖层深，厚度达12m，护冲流速低，截流过程中，泄洪冲砂闸作为分流通道，高于河床面约5m。若要实现泄洪冲砂闸分流条件时，使得截流落差达到8m以上。采用双戗单向立堵法施工时，围堰填筑抛投量大、强度高，截流施工组织难度大。通过对水流条件及截流技术研究，采用梳齿截流施工技术成功实现二期截流。

梳齿截流技术 井字格刚性护底 安谷水电站 截流施工

1 概述

安谷水电站二期截流，河床砂卵石为强透水层，覆盖层厚达12m，砾石粒径大于150mm含量仅占总量的9.16%，起动流速仅为0.7m/s～0.8m/s。本工程截流龙口流速可达6m/s以上，护冲流速低，甚至在预进占过程中就会造成河床大量冲刷；截流河段位于原导流枢纽明渠进口，河床宽度达350m。截流过程中，泄洪冲砂闸作为分流通道，流道面高程为385.0m(河床高程约378.0m)，高于河床面约5m。若要实现泄洪冲砂闸分流条件，需将闸前水深雍高至5m以上，致使截流过程中落差可达8m以上。采用双戗单向立堵法施工时，围堰填筑抛投量大、强度高。截流备料场位于左岸下游，截流料物运距大，工作面狭窄，截流施工组织难度大。

在深厚覆盖层河床实施截流，因覆盖层抗冲刷能力较小，在截流流量、落差、龙口流速均较大时，如果保护措施不当，会在截流过程中形成冲刷性破坏、渗漏管涌性破坏、护底体系稳定性破坏等，造成戗堤多种形式的坍塌，进而危及施工人员和机械设备的安全。若在坍塌和覆盖层上抛投物料，因稳定性下降及覆盖层流失，加大了工程量，延长了截流困难段时间；在备料数量不足或备料粒径不满足抗冲要求时，甚至会导致截流失败。因此，无论从截流的安全性，还是从经济性方面，都增大了截流难度，对截流技术水平提出了更高的要求。2 井字格刚性护底体系

2.1 覆盖层冲刷特性研究

截流束窄河床引起的覆盖层冲刷，包括一般冲刷和局部冲刷两种。

一般河流覆盖层稳定问题涉及的水力因素，主要为水深、流速及其垂线流速分布。对于截流龙口河床覆盖层的稳定问题，涉及的水力因素除上述因素外，还与床面束窄和堤头的绕流作用等有关。床面束窄使得单宽流量增大，龙口流速、水深及垂线流速分布均发生相应变化，水流冲刷能力增强。堤头的绕流作用则与进占方式及戗堤与水流流向的夹角有关。

局部冲刷的破坏性，一是在龙口不护底时，由于堤头丁坝的绕流作用，会使龙口覆盖层产生较大冲刷变形，导致堤头坍塌，危及施工人员和机械的安全，尤其在高落差条件下截流，龙口覆盖层的冲刷会延长困难段时间，对后续施工强度及截流备料提出更高要求，从而加大截流难度；二是在龙口护底时，护底两侧及尾部覆盖层淘刷，对护底体系存在安全影响问题。

在深厚覆盖层河床上实施护底或平抛垫底，不仅可提高河床的抗冲能力，减少河床冲刷及后续截流的工程量，而且可增大河床糙度，提高抛投料物稳定性，减少流失量。护底措施一般选择在汛末或汛后实施，为确保护底措施的有效性，需对护底材料粒径、护底范围及厚度进行合理选择，对护底的实施方式进行研究。

常见的护底材料有钢丝笼、四面体、杩杈体、混凝土六面体以及大石、特大石等。护底材料粒径计算，为起动问题，其相关计算参数选择应按截流进占过程中遭遇的龙口水流条件及边界条件确定。

在覆盖层护底时，单体抗冲能力强，但由于抛投料的不规则性，下部砂卵石在起动后形成淘刷，护底会逐渐沉陷破坏。

深厚覆盖层截流施工中，砂卵石覆盖层破坏严重，在护底采用单个块体易发生冲刷破坏，需采用柔性措施，增强块体整体性。对于大流量、高落差条件下截流施工，护底沉陷会增加抛投水深，料物流失量增大，堤头坍塌风险增加，进而影响截流进程。 2.2 井字格刚性护底体系

根据截流水力特性，安谷水电站二期截流采用刚性护底方式，即采用混凝土平板护底，四周防渗墙嵌护的方式，防渗墙外侧采用大块体防护并增加柔性连接措施。此方法优势：(1)增强护底的整体性及耐冲性；(2)防止护底下游溯源冲刷及两侧淘刷对护底的破坏；(3)利于截流料物稳定。刚性护底的混凝土平板在截流后续设计中因基础稳固，具备设计延展空间。

图1 龙口护底平面布置示意

图2 龙口护底纵剖面示意

防渗墙应具备一定刚度，因防渗墙外侧砂卵石抗冲能力小，在起动后会迅速冲刷破坏，使得防渗墙成为挡土结构，因此外侧需增加块体柔性防护。

刚性护底形成后，河床条件可按基岩进行计算，其粒径计算按伊兹巴什公式进行计算，在同流速条件下，稳定系数可由0.9高至1.2，料物粒径减小20%。

2.3 护底范围及厚度设计

护底长度选择需充分了解龙口中心线上垂线流速分布特性，一般有“戗堤轴线以上为上大下小，轴线以下呈上小下大”规律，需考虑护底下游端覆盖层的溯源冲刷对护底体系的安全影响。

护底宽度选择可按戗堤束窄后覆盖层产生大幅起动时的口门宽，结合截流程序、进占各阶段的龙口水流条件以及覆盖层的抗冲能力计算确定，需考虑护底两侧覆盖层淘刷对护底体系的影响。

安谷电站截流护底工作在围堰预进占之前完成，其块体尺寸需满足抛投施工期间稳定及截流期间不被冲刷，根据水力计算结果，单戗单向立堵截流最大流速高达6.47m/s，抛石块径按以下公式计算：

(1)

3 梳齿建筑物截流施工技术

在立堵截流中，当截流流量、落差都很大时，一般采用双(多)戗堤立堵截流，如三峡电站三期截流、伊泰普水电站等。

双戗堤截流的适宜水力条件指采用双戗堤立堵截流，必须保证截流全过程中，两个戗堤的截流难度都同时小于单戗堤截流。在保证下戗堤截流难度小于单戗堤截流的前提下，使下戗堤壅水达到能够改善上戗堤合龙时的最大难度，使之小于相应单戗堤合龙。

落差的分配与控制问题是双戗堤能否成功运用的关键，要做到按计划实现落差分配是不易的，这主要是因为影响落差分配的因素很多，如截流河段的比降、河床是否可冲、护底的条件及可靠性、两戗堤之间的距离及水下的复杂地形、两戗进占的速度配合、截流的总落差大小和两戗堤之间的岸坡条件及流态变化等。

截流河床过宽时，采用双戗堤截流，会大大增加戗堤填筑工程量、截流材料与截流设备投入。若戗堤无法避开永久建筑物，还必须承担起巨大的拆除费用。因此，双戗堤截流时效性强，在施工组织上，其难度不亚于工程建设本身，同时在经济上也花费很大。

在截流龙口段施工中，通过抬高护底高程(如设置拦石坎)，可以减小龙口段水深，达到降低龙口落差的目的。但拦石坎高程设置过高，会降低龙口泄流能力，加大预进占难度，使砂卵石覆盖层产生冲刷，增加预进占抛投料粒径。

为减小截流料物流失，在截流施工前，通过设置施工平台，在方案拟定龙口位置加打一排桩体，桩体直径根据覆盖层厚度及水力学条件进行计算。设置拦石桩后，当水流流经桩体之间时，束窄了河床，水流由于产生侧向收缩，在进口处形成水面降落，产生类似于宽顶堰流的水流现象，其情形可按无坎宽顶堰进行计算。

与拦石桩结构型式相近，安谷水电站二期截流采用梳齿墩结构型式，泄流量可由宽顶堰公式计算：

(2)

其中，流量系数m与堰头形状有关，考虑到护底施工的简易性，可按锐角进行计算。

侧向收缩系数ε是反映闸墩及边墩对宽顶堰流的影响，其计算公式如下：

(3)

式中，k为考虑闸墩头及堰顶入口形状的系数，当闸墩(或边墩)头部为矩形，堰顶为直角入口时，k=0.19；当闸墩(或边墩)头部为圆弧形，堰顶为直角或圆弧形入口时，k=0.10。公式的适用条件为：b/B≥0.2；P1/H<3。当b/B<0.2时，以b/B=0.2代之；当P1/H>3时，以P1/H≥3代之。

对于多孔宽顶堰(有闸墩及边墩)，其侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值：

(4)

式中，n为宽顶堰溢流孔数；ε′为中孔侧收缩系数，按式计算时可取b=b′,b′为单孔净宽，B=b′+t，t为闸墩厚度，ε″为边孔侧收缩系数；用式计算时，取b=b′,b′为边孔净宽，B=b′+2△，△为边墩的计算厚度，取为边缘与堰上同侧水边线之间的距离。

σ淹没系数与临界水深有关，自由出流时其取值取大，一般取值0.9。

图3 三种堰型泄流曲线(过流宽度选取60m)

通过三种不同堰型的泄流量理论计算比较，流量的大小最终由其流量系数mε决定，在保证自由出流的情况下，拦石坎(折线型实用堰)流量系数mε最大，拦石桩(无坎宽顶堰)流量系数mε次之，梳齿墩(有坎宽顶堰)流量系数最小。

通过上述研究，在确定龙口护底宽度时，为减小预进占难度，拦石坎所需宽度最小，拦石桩及梳齿墩因其侧向收缩系数大，雍水效果明显，使得护底宽度增加。同时，根据图3所示曲线，在同等流量条件下，在高落差截流中，根据建筑物自身结构特点，有坎宽顶堰雍水效果最好，可以有效利用截流建筑雍水，抬升堰前水位，达到良好的分流效果。无坎宽顶堰次之。

通过修建梳齿墩，利用梳齿过流流态快速形成闸前雍水，创造良好分流条件。梳齿间距根据龙口口门宽度设定，减小特殊料物料径、抛投强度及难度；梳齿及钢丝绳形成拦石栅，减少料物流失；后续采用矩形墩浇筑扶壁式挡水墙形成围堰龙口段防渗体系，节约施工成本及工期。

4 结语

梳齿建筑物截流施工技术由龙口护底技术、截流拦石技术和龙口防渗技术三部分构成。其中，护底技术是利用井字格塑性防渗墙+混凝土底板构成刚性护底体系，减小高速水流对龙口河床的冲刷破坏；截流拦石技术采用混凝土矩形墩+钢索连接形成拦石体系减少料物流失；龙口防渗技术是采用矩形墩浇筑扶壁式挡水墙形成围堰龙口段防渗体系，经济快捷。

梳齿截流时，特殊料物采用原级配砂卵石浇筑成混凝土六面体，钢丝绳串之形成串体。混凝土六面体单体粒径满足球化粒径要求，同时施工成本低、效率高，采用常规型号施工机械即可满足运输、吊装、抛填要求。

王升德(1969.9-)，男，四川人，中专，工程师；

孔云洲(1987.5-)，男，湖北宜都人，本科，助理工程师。

TV551.21

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2095-1809(2016)03-0073-04