贯流式机组汛期过流围堰高效填筑关键技术研究

刘昌宇 舒磊 肖伟明

【摘要】新干航電枢纽工程处于赣江中游，4～6月为主汛期，二期泄水闸工程过流围堰于7月进行进占，7月31日截流，施工期未脱离汛期影响，围堰施工期过水频繁。围堰填筑工期紧，施工难度大。采取自溃式子堰设计、设置预备冲水口、过水堰护面结构、裹头挑流及集料平台等施工技术，在汛期影响下，高效、安全完成过流围堰填筑为类似工程积累了宝贵的经验。

【关键词】过流围堰汛期填筑；自溃式子堰

1、工程概况

按照合同文件规定，新干工程采用分期导流方式，分两期导流，一期工程分别围左岸船闸及其相邻9.5孔泄水闸工程、右岸电站厂房（含相邻1.5孔泄水闸工程），二期工程围右岸其余13孔泄水闸工程。

二期泄水闸工程围堰截流须具备如下条件：

⑴ 一期泄水闸工程9孔弧形闸门可正常调度运行；

⑵ 一期泄水闸工程及船闸围堰已全部拆除完毕；

2017年7月初，项目具备二期泄水闸工程围堰戗堤进占条件，至2017年7月下旬具备二期泄水闸工程围堰截流条件。

2、水文气象地址条件

2.1 水文

赣江为雨洪式河流，洪水由暴雨形成。受天气系统影响，4月～6月份洪水由锋面雨形成，往往峰高量大；7月～9月份洪水一般由台风雨形成。一次洪水过程一般为7天～10天，长的可达15天，最短的仅为5天。峰型与降水历时、强度有关，多数呈单峰肥胖型，一次洪水总量主要集中在7天之内。

2.2 气象条件

赣江流域属亚热带湿润气候，东亚季风区。赣江流域多年平均气温在17.2～19.3℃之间，极端最高气温41.6℃，极端最低气温-14，3℃。流域内多年平均降水量在1300～1800mm之间，各站实测多年平均蒸发量为1294～1765mm，最大日暴雨量多出现在4～9月，5～6月以锋面雨的形式出现使大暴雨更集中，7～9月主要是受台风影响产生暴雨。流域内多年平均风速为1.1～2.9m/s，最大风速30m/s，相应风向为西（w）风。流域多年平均相对湿度76%～82%，多年平均日照小时数l628～1875h，多年平均无霜期252～288d。

二期左岸纵向围堰为混凝土纵向围堰，由W3标施工，目前已完成。

3、围堰汛期填筑重点难点

本工程二期泄水闸闸坝属于反季节施工，具有需要同时施工的部位多、关联关系复杂、节点控制性工期严、施工工艺要求高等特点；过水围堰设计与汛期快速截流是项目成败的重点，而施工任务繁重、有效施工时间短、工期压力大、施工强度高且集中、施工风险大是二期泄水闸围堰汛期施工最大难点。

根据施工总进度计划、气象水情和目前施工准备情况，二期围堰填筑时段为2017年7月1日～2017年8月31日，截流时间拟确定为2017年7月31日，截流流量为选择5年一遇7月下旬旬平均流量1750m3/s，具有以下特点：

（1）进占之前，必须掌握7～8月份工程上游地区的水情气象预报，针对可能出现的水情做好相应标准的预防措施；围堰进占的组织机构、设备人员、技术方案、物资材料等准备到位；

（2）二期泄水闸工程围堰填筑、围堰防渗、泄水闸工程基础开挖、基坑排水等存在平行施工问题，相互干扰较大；

（3）二期围堰填筑时间短、工期紧，对设备的数量和性能要求高，配备满足施工强度的设备是实现目标的关键；

4、过流围堰关键技术

4.1 自溃式子堰

当赣江来水超过围堰挡水标准，二期围堰需要过水与左侧9孔泄水闸联合泄流，子堰要求达到自溃标准，以降低库区水位，不对赣江防护堤及两岸居民造成危害。当堰前洪水全部漫顶后，子堰自裹头端至砼纵向围堰端全部自溃，由于基坑提前已经充水，漫顶时围堰内外水位落差不到2m，过堰水流较为平顺。子堰自溃后，洪峰顺利通过枢纽下泄，自溃式子堰结构采用粘土填筑结合土工膜防渗、外部采用石渣护面。

汛后，堰体损失小，子堰溃决料被冲至围堰下游边坡，护面砼大部完好无损，上游面护坡块石基本仍分布在主堰堰顶范围，上下游恢复子堰填筑料小，子堰能快速修复。从基坑撤退洪峰来临到基坑泄水闸恢复正常生产，预计仅需半个月。

4.2 充水口布置

当赣江通过流量大于8670m3/s时，上游水位达到围堰自溃子堰顶高程，围堰过水，此时上游水位为29.5m，下游水位为27m，基坑高程13m，水位落差达16.5m，为减小围堰过水带来的堰体破坏，提前充水至上游主堰体堰顶高程29.5m以上，实现工程安全度汛。在二期泄水闸下游横向围堰靠混凝土纵向围堰处设置非常溢洪道作为基坑预充水缺口，明渠为梯形断面，充水缺口宽度初定20m，充水缺口高程▽26.0m，下部采用1.0m厚钢筋石笼防护，满足围堰及基坑抗冲防护要求。此外结合原厂房纵向围堰遗留的粘土心墙，开挖了一个充水槽，充水槽长约25m，为板结粘性黄土，将水流导引至二期基坑，作为预备充水口。洪峰期间，基坑预设的2处充水口向基坑同时充水，预计充水达到29.5m高程历时6h，充水即可达到预期效果。预充水与增加充水口的方式属于大流量洪峰来临时的应急避险措施，规避了石虎塘船闸围堰及株洲泄水闸围堰当时因充水口断面小或位置选择不当等问题而导致围堰溃决的风险。

4.3 过水堰护面结构

本工程二期围堰汛期导流建筑物为左岸9.5孔泄水闸及宽约250m的上下游围堰过水体台形堰，根据模型试验及基坑充水后的汛期水力学计算成果，在设计导流标准条件下，堰面最大平均流速为2.9m/s，基坑最大平均流速1.4m/s。类似工程过水堰常采用较厚的混凝土护面或钢筋石笼作为过流防冲消能结构，甚至设置钢筋砼消能工防冲，成本较大。石虎塘及长沙枢纽采用喷射挂网混凝土与钢筋石笼的方式，施工及抢修难度大，施工成本高，施工周期长，本次设计结合模型试验成果及采取的充水保护度汛措施，上游围堰大胆采用了薄层混凝土护面的结构，在背水坡面采用石渣填筑料进行坡脚盖重，可取得理想的过流防冲效能效果。此外，在主堰体顶部设置砼齿墙，一定程度上也加了护面砼板的稳定性。而上游围堰迎水面及下游围堰均采用适应变形能力良好的抛投大块石及石渣进行护面。护面设计施工简单，施工速度快，总体经济效能及实际应用效果良好。

5、导流建筑物设计

按照合同文件规定：二期泄水闸工程枯期围堰设计洪水标准按枯期（8月～翌年3月）5年一遇洪水，相应设计流量为8610m3/s，相应上游水位为33.0m，下游水位为31.0m，围堰堰顶高程按照设计水位加波浪爬高值和安全超高值确定，由此确定上下游三枯枯水围堰堰顶高程分别为34.2m及32.2m。

二期围堰截流戗堤断面为梯形断面，顶宽10m，可满足3辆20t汽车同时卸料，戗堤顶高程按不低于截流后的上游最高水位。由此确定截流戗堤顶部高程为▽29.5m；截流戗堤顶宽10m，两侧边坡坡比均为1：1.5。

5.1导流工程结构设计

⑴ 围堰布置

泄水闸工程围堰均为枯水围堰，包括三枯及四枯枯水围堰。二期泄水闸工程围堰包括上游横向围堰、下游横向围堰、右侧土石纵向围堰、左侧混凝土纵向围堰。横向围堰右侧与厂房纵向围堰连接，左侧与纵向混凝土围堰连接。

上游围堰起点在厂房纵向围堰上游侧距坝轴线约125m处，围堰轴线长度约283m；下游围堰从厂房下游围堰终点向前延伸直至纵向混凝土围堰，围堰轴线长度约270m。

⑵ 围堰结构

① 三枯上下游枯水围堰结构

迎水侧及背水面边坡坡比均为1：2，上下游枯期迎水侧均采用0.6m厚块石护坡，下设0.3m厚过渡层。

按照招标文件规定的导流标准与模型试验成果，为节约施工工期，保障汛期度汛安全，参照类似地质条件的湖南湘江土古塘航电枢纽工程，采用自溃式子堰代替围堰拆除的方式：当河流上游水位达到围堰自溃子堰顶高程，主堰体堰顶高程以上子堰在上游过水时自溃，围堰过水。在设计导流标准条件下，通过适当的堰面及基坑防护措施是可以确保安全度汛的。当汛期河水流量在8610m3/s以下时可继续进行二期泄水闸工程施工。要求自溃式子堰应在汛期河水流量达到8610m3/s时能够自溃，以满足度汛要求。上游子堰高4.7m，堰顶宽度3m；下游子堰高5.2m，堰顶宽度3m。子堰采用黏土填筑，迎水面边坡坡比为1：1.5，背水面为1：2，子堰两侧均采用0.5m厚石渣護坡。

截流戗堤设置在上游围堰，顶宽10m，戗堤顶高程▽29.5m，戗堤边坡坡比均为1：1.5。

二期右岸纵向围堰上游侧约60m、下游侧约100m利用原厂房纵向全年围堰（厂房纵向全年围堰上游侧拆除至▽34.20m、下游侧拆除至▽32.20m）作为堰体，其余部分采用砂砾料与黏土填筑。

考虑到本工程河床砂砾石覆盖层较厚，且强透水性强，泄水闸工程枯期围堰堰基拟采用高喷防渗墙防渗，高喷防渗墙深入强分化岩石以下0.5m。

② 四枯枯水围堰结构

四枯枯水围堰在三枯枯水围堰基础上重建，结构与三枯枯水围堰一致。

二期泄水闸工程围堰三汛期间基坑过水需考虑充水保护措施，拟在二期泄水闸工程下游横向围堰靠混凝土纵向围堰处设置非常溢洪道作为基坑预充水缺口，充水缺口宽度初定20m，充水缺口高程▽26.0m，采用0.5mC15混凝土护面，满足围堰及基坑抗冲防护要求。

汛期过后，抽排基坑内积水，恢复子堰，在围堰保护下进行后续工程施工。

5.2二期围堰结构稳定分析

⑴ 围堰边坡稳定分析

围堰填筑料物理力学参数见表1。

围堰边坡稳定分析一般采用圆弧法和折线法，现采用折线法进行分析。

对于干坡或全部浸于水中的边坡稳定计算如图。（过流标准10年一遇）

设坡上一土粒重为Q，其滑动力为Qsinα，抗滑力为Qcosαtgψ，则稳定安全系数为

对于坡比为1：2砂砾石料边坡，α=26.5650 ，ψ=300

围堰填筑材料稳定系数见表2。

对于部分浸水的边坡滑动面，其计算方法有考虑和不考虑土块间的作用力两类，不考虑土块间的作用力传递时，计算偏于安全，各土块的抗滑力En和滑动力Ea的水平分力总和为

计算成果见表3，结果表明二期泄水闸围堰边坡稳定均满足规范要求。

⑵ 填筑料选取

根据模型试验，填筑二期围堰戗堤时束窄过流断面水流流速在1.19m/s～2.36m/s之间，戗堤填筑完毕后通过右侧船闸与9孔泄水闸工程的明渠过流。综合考虑棱体填筑的防冲指标，选取粗卵石及中漂石进行填筑较为安全。

各种水深情况下多种填筑材料允许抗冲流速见表4。

6、围堰汛期高效施工

6.1 确定围堰高喷参数

新干泄水闸上下游围堰体高喷防渗墙上部为人工回填土料、砂砾料、卵石等混合料，下部基岩为红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，高喷墙底部伸入基岩深度不低于0.5米。河道基岩地址条件较差，考虑河流施工期长时间冲刷，与截流抛填料粒径影响，戗堤同时进占，戗堤布置于下游减少对高喷质量的影响，同时对高喷试验参数进行提高，提升整体防渗墙施工质量。

6.2 汛期截流

泄水闸工程三枯围堰施工重点是河床截流。

① 截流标准

三枯河道截流于2017年7月31日实施，截流流量为5年一遇7月下旬旬平均流量1750m3/s。相应水位为26.5m。

② 截流方式

二期围堰由于截流前混凝土纵向围堰已形成，左岸无施工道路至混凝土纵向围堰，故只能从右岸单向进占，截流材料及戗堤进占材料均由右岸提供。截流采用上下游戗堤同时进占的截流方式，截流龙口设置在上游戗堤，从右岸（厂房纵向围堰）向纵向混凝土围堰推进，由于截流前左侧砼纵向围堰已经形成，截流后左岸9孔泄水闸工程过流，为避免截流时高速水流对左岸混凝土纵向围堰底脚的淘刷，在左岸混凝土纵向围堰上下游混凝土刺墙处按设计断面各提前预进占20m，作为截流龙口的位置，以降低截流难度，做好堤头裹头块石防护，下游戗堤略滞后上游围堰戗堤，以降低水位落差，平衡龙口上下游水位。最后在上游由右岸进占立堵合龙。

截流水力学指标见表6

单宽功率=水体容重×龙口单宽流量×龙口水位落差

根据模型试验成果，截留期最终截流落差为0.3m，最大平均流速2.36m/s。

④ 非龙口段进占

从2017年6月开始，先从左岸混凝土纵向围堰刺墙预进占20m，堤头采用块石料进行保护，块石料采用左岸泄水闸围堰拆除料。同时在右岸从电站厂房上游全年围堰沿二期围堰戗堤轴线向左岸预进占110m至龙口，并做好防冲裹头，下游戗堤跟进。

⑤ 龙口段抛石及预制砼六面体抛填

根据模型试验成果，在设计截流标准下的龙口流速将达到1.15～2.36m/s，因此需在龙口部位用大块石护底，根据水力学计算成果，块石粒径为30～50cm。为确保截流成功，通过预制60个单重7t的砼六面体在流速和水位落差较大的情况下抛填。每6个砼六面体串联成整体后进行抛投，最初流速较大冲刷严重，最终经历了6个小时的连续努力，围堰成功截流。

6.3 实施情况

2017年7月21日二期泄水闸围堰進占，2017年8月10日围堰截流，2017年9月15日围堰闭气，2017年11月20日，围堰加高培厚完毕，具备验收条件。在7月赣江涨水的情况下，成功实现了汛期围堰高效施工，枢纽二期泄水闸提前具备施工条件，围堰进占至围堰闭气仅仅用了55天，船闸与左岸一期泄水闸闸坝提前蓄水抬高了上游库区水位，保证了后续赣江通航。二期导截流搞工程施工技术的成功应用，泄水闸提前具备施工条件，相比原施工计划提前13天进行泄水闸底板混凝土浇筑，目前已经完成二期13孔底板覆盖，减少了工程度汛风险。对后续尽快恢复赣江生态、增加赣江流域水运能力、改善赣江两岸居民生活环境，降耗节能，减少碳排放，优化社会产能结构，促进区域经济发展均有积极意义。

7、结语

采用自溃式围堰汛期填筑施工技术后，二期泄水闸混凝土浇筑较合同工期提前13天具备施工条件，预充水与增加充水口的方式属于大流量洪峰来临时的应急避险措施，规避了石虎塘船闸围堰及株洲泄水闸围堰当时因充水口断面小或位置选择不当等问题而导致围堰溃决的风险。自溃式围堰可以进一步优化围堰结构，减少围堰施工难度，适用于汛期快速施工。继湖南土古塘自溃式围堰后再一次成功应用，具有施工快，安全的特点，同时也带来了良好的经济效益和社会影响，为类似航电枢纽工程积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1]《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）；

[2]《水电水利工程围堰设计导则》（DL/T5087-1999）；

[3]《江西赣江新干航电枢纽工程施工导流、截流水工模型试验研究》；

作者简介：

刘昌宇，（1989.08—），男，湖北宜昌，助理工程师，现从事水利水电工程现场施工技术管理，东北农业大学08级水利水电工程专业。

肖伟明，（1982.10-），男，湖北宜昌，助理工程师，现从事水利水电工程现场施工技术管理，三峡大学水利水电工程02级水利水电工程专业