清远市某水利枢纽工程截流施工技术分析

李 刚

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000）

1 工程概况

某水利枢纽工程位于广东省清远市境内，所在流域为北江干流，工程主要包括非溢流挡水坝、溢流坝、副坝及船闸、厂房等水工建筑物，是一座以发电为主，兼具灌溉、城镇供水、航运等功能的水利水电工程。坝址控制流域面积24.32万km2，洪峰流量较大，且历时长，枯水期从11月开始，4月底开始进入洪水期，且最大洪水流量一般出现在7～8月。工程坝址区地质类型主要为第四系地层，包括人工堆积层、冲积层和残积层，下伏燕山早期侵入岩基及花岗岩侵入体基岩。

工程施工导流分两期进行，第一期利用左侧河床起讫桩号K0+574.5—K1+298.3段导流，进行右岸非溢流坝段及14孔溢流坝的围堵施工；第二期则主要进行起讫桩号K0+685.5—K1+230河床段坝体工程施工。该水利枢纽工程截流有明显特点：一是左岸场地狭窄，截流河床段宽度较小；二是截流建筑物之间互相影响互相制约，如围堰上游坡脚伸入导流洞，同时下游坡脚与基坑开口线距离过小，戗堤左岸和导流洞连接后，增加了施工抽排水困难和混凝土浇筑难度。

2 截流施工设计

结合现有施工条件，该水利枢纽工程左岸存在长2.0km、宽1.0km、高程18.0m的高漫滩地，可用于截流施工材料的堆放；坝址上游3.1km处的塘石场和下游3.8km处的土料场料源充足且场地开阔，适合本枢纽工程机械化截流施工。枢纽工程右岸纵向围堰和泄洪洞导墙构成的场地较为狭小，施工干扰大，难以展开机械化施工，为此，本枢纽工程截流布置应充分考虑现有地形，以左岸为主，右岸为辅。根据施工组织设计中所确定的该枢纽工程2019年5月首台机组发电目标实现的要求，确定截流时间，截流流量按照50年的平均流量确定。

根据截流条件，本枢纽工程在河床靠左岸设置截流龙口，龙口实际宽度110m，与左岸纵向围堰和右岸的距离分别为58m和152m，双向进占施工。结合口门分流量等水力学参数，将龙口段进占施工划分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区三个区域，根据水工模型试验确定的枢纽工程截流戗堤分区，进占施工参数详见表1。

截流戗堤全长321m，左侧与高程13.4m纵向围堰的防冲堆石体相接，右侧与实际高程14.6m的滩地相连，戗堤断面为梯形设计，根据设计要求，戗堤能够抵御汛期2年一遇设计洪水，进占向边坡设计坡度1∶1.2，边坡稳定性符合设计要求。

结合截流水力条件设计中对抛投料稳定性的要求，及可能的料石来源渠道，本枢纽工程采取钢筋石笼与块石抛投相结合的抛填方式[1]，左右岸抛填材料粒径及用量具体见表1。抛投强度必须符合戗堤宽度、车辆运输供料能力及进占方式，为提升抛填效率，本工程应采用斗容量及载重量较大的推土机和自卸车，并在堤头准备起吊设备和大马力推土机辅助钢筋石笼和大粒径块石料的抛填。戗堤进占抛填施工所使用机械设备详见表2。

3 截流施工关键技术

3.1 施工准备

在施工准备阶段，严格按照表1所列抛填石料粒径及使用量进行截流施工备料，并将粒径＞0.9m的特大石、粒径0.9～0.5m的大石、粒径0.5～0.3m的中石、粒径＜0.3m的石渣及钢筋石笼分开堆放。与此同时还应按照表2进行施工机械设备的安排及性能检验，保证各类机械设备性能处于最佳状态。

表1 枢纽工程截流戗堤进占施水力学参数

表2 戗堤进占抛填施工机械设备

为保证施工机械顺利进场及抛填料运输供应，还应进行坝址和备料场之间截流施工道路的修筑，并确保临时施工道路中干道、支道宽度及结构强度，能满足载重施工机械运行的要求。

3.2 截流施工

3.2.1 预进占

通过3～5m3的装载机、自卸车临时堆料，并沿着大坝右岸公路运输至石渣上游围堰处卸料，按照0.5m的厚度堆铺料，再由装载机负重碾压3遍。考虑到戗堤渗流量的控制，本工程主要使用粗粒土和石渣的混合料为碾压料。

3.2.2 截流施工步骤

按照戗堤坝进占的设计，将龙口划分为两阶段施工：先进行戗堤坝，进占至坡脚接角龙口对岸，并形成三角形断面，这一阶段河床水流流速较小，所以抛投料选择一般性石渣，并以上游边线外抛投为主，大料抛投于上游侧，使水流和戗堤坝分离，并确保大料稳定置放在上游坡角，其余部分则按照所设计的一般投料顺序进占。

完成上述过程后，戗堤坝坡脚与龙口对岸三角形断面已较为接近，按照设计要求进占施工，直至合龙。因流速此时达到最大，截流存在较大难度，为防止抛投料受水流冲刷后大量流失，应选择大块石、铅丝石笼及串石等重物为抛投料，并以上角和下游突出位置为重点抛投施工区域，先抛投大料，使水流出现分离趋势，初步形成戗堤后，再迅速在下游侧抛投大料，分担上下游落差，再迅速在中间抛投一般性石渣，按照这个过程循环交替抛投，以保证有效进占。实践证明，经过上述两个阶段处理后上游水位壅高增大，流速减小，抛投强度大，合龙速度快。

3.2.3 截流施工过程

按照设计要求的顺水流向长60m、垂直水流向长120m的龙口段护底尺寸，进行龙口中心线布置，并于2019年5月完成龙口段护底施工，对戗堤底部地形实际量测结果显示，已经护底处理的龙口段右侧存在较为严重的冲刷。出于控制抛填强度和改善河床水流流态考虑，将护底范围顺水流方向延长50m，垂直水流方向延长60m。

为加快抛填进占施工进度，在形成龙口后还在左岸下游龙口处增设长度和宽度分别为20m和10m的回车场，为抛填料运输车辆掉头及退行卸料提供方便。龙口施工开始后，沿左右两岸同时进占抛填，待施工至流速最大段时，左岸戗堤端头上游发生坍塌，及时进行特大石块抛投和混凝土四面体护脚施工，戗堤基本稳定。此后随着溢流坝分流量的逐渐增大，龙口流速不断下降，最终形成水下堰体，戗堤基本稳定，截流顺利结束。

3.3 深水截流施工安全问题

本枢纽截流施工水深为10.8～32.6m，水深较大的区域截流施工难度大，在初设及可行性研究阶段，已经明确提出通过单戗双向立堵的方案[2]进行抛投进占截流，抛填进占施工中的安全问题必须引起设计及施工人员足够的重视。

在设计阶段，围绕深水抛填进占施工安全问题，展开比尺1∶80截流及比尺1∶40堤头水工模型试验，并对不同水深条件下及不同抛填材料组合情况下的抛填进占施工效率及安全进行反复验证。根据试验结果：当水深达到28m及以上后，无论堤头采取任何抛填材料、材料级配及抛填方式，发生大范围坍塌的可能性均较大，很难保证抛填进占施工质量；当实际水深降至18～28m范围后，虽然发生大规模坍塌的可能性仍然存在，但是发生概率和规模大大减小；当水深在18m以下时，几乎不存在抛填材料坍塌的可能性。为此，本水利枢纽工程在水深18m及以上的区域抛填进占截流施工，应采用水下平抛垫底法，以有效应对截流水深较深所引发的截流施工风险。

枢纽工程上游围堰平抛垫底总工程量的设计值为63.8万m3，为避免增大后期混凝土防渗墙造孔施工难度，截流戗堤底部主要使用块石料和石渣料抛填，围堰轴线周围主要使用砂石毛料抛填。考虑到平抛垫底工程量较大，故分两阶段完成，在施工期内汛期到来之前，主要将戗堤处块石料和石渣料抛填至38m高程处，将围堰堰体处砂石料抛填至32m高程，待汛期结束后再加高至38m的高程设计值。既能起到安全度汛防冲的作用，又能防止已经抛填完成的砂石料发生性能粗化。

为加强平抛垫底施工质量控制，必须增强抛填定位的准确度，并预防抛填施工过程中抛填料分离，以控制抛填施工难度。对于水流流速较大的区域应以定位稳定、准确、移位灵活且采砂效率250m3/h的采砂船为定位船，并用抛投量400m3的石驳船装载抛填料，待运抵截流施工区域后以定位船为基准集中卸料抛填。汛期过后水下量测校核结果显示，汛前所抛填进占的垫底材料完整。此外，还根据水深进行了平抛垫底高程的加高处理，降低了龙口合龙施工水深和施工难度。

3.4 分流条件

水利枢纽工程分流条件设计，即分流建筑物设计施工，是影响截流难度及施工成败的关键，本枢纽工程以导流明渠为主要分流建筑物，所确定的实际截流流量为6460～10200m3/s。分流条件设计还包括围堰和分流建筑物堰外段的开挖拆除，为降低合龙施工难度，确保明渠堰外段的开挖拆除施工质量，在施工前的上一个枯水期内，便完成了围堰外低水围堰结构的修筑，保证了明渠进口段提前完工。

此外，还将纵向围堰施工期和导流明渠围堰进水时间提前了4个月，为围堰水下开挖拆除施工赢取了时间。导流明渠过流时间提前至汛前的处理，使其泥沙淤积愈加严重，至汛期后预进占施工时，导流明渠分流并未达到设计要求，实际分流比仅为水工模型试验设计值的30%左右[3]，为此，结合枢纽工程所在流域实际来水量，将束窄戗堤口门提前，以使导流明渠过流流量和流速增大，便于冲淤。在龙口最终合龙前水下测量结果显示，导流明渠过水面积已接近设计断面的82.1%～96.7%，分流比增至93.96%，冲淤效果显著。

3.5 围堰高度验算

依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）规定，对均质土截流围堰顶高程进行验算，计算表达式如下:

式中：y——坝顶超高，m；

R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；

e——最大风壅水面高度，m；

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A——安全加高，根据施工坝的等级，查表5.3.1取0.5m。

（1）波浪的平均波高、平均波周期，采用莆田试验站公式，其计算表达式如下：

式中：hm——平均波高，m；

Tm——平均波周期，s；

W——计算风速，根据气象统计资料统计，东台地区全年最大风速为10m/s；

D——风区长度，按5倍的河道设计宽度260m；

Hm——水域平均水深，m；

（2）平均波长计算表达式如下:

式中：Lm——平均波长，m；

H——坝迎水面前水深，m。

（3）正向来波在单坡上的平均波浪爬高，计算表达式如下:

式中：Rm——平均波浪爬高，m；

KΔ——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型查表A.1.12-1取0.9；

Kw——经验系数，查表A.1.12-2取1.02；

m——单坡的坡度系数，若坡角为α，即等于cotα。

根据以上公式及参数，施工截流围堰超高计算成果见表3。

表3 施工截流围堰超高计算成果 单位：m

截流围堰验证顶高程为防洪设计水位+安全超高，即2.87+0.5=3.37m，小于设计高程4.00m。综上所述，施工截流围堰设计高程满足安全要求。

4 结论

通过该水利枢纽工程在汛期大流量下截流进占的施工经验，发现截流施工组织准备及方案设计合理是保证截流施工成败的关键。汛期大流量截流进占施工，必须把握来水较小的有利时机，果断截流。结合流域来水情况，延长预进占长度，以降低截流进占合龙难度，缩短合龙时间。截流施工过程中还必须密切关注戗堤变动，及时采取有效措施，确保截流安全、顺利、高效施工。