金沙水电站大江截流施工技术研究

李雷 彭海波 段会平 李瞬旭燕

摘要：金沙水电站大江截流是项目建设的关键节点，其工期紧、任务重、截流流量大，风险不可控，技术难度大。确保截流一次性成功是金沙水电站顺利建设的重要保障。通过在截流设计中，合理考虑现场施工布置、截流备料，并在实施过程中根据河床流量、龙口流速等关键水力学信息准确进行龙口特殊物料的抛投，顺利实现了金沙水电站二期大江截流。

关键词：大江截流; 截流施工; 水文监测; 抛投物料; 金沙水电站

中图法分类号：TV551.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.002

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0005 - 05

0 引 言

国内外河道截流的方法较多，其中戗堤法是截流的基本方法，可细分为平堵和立堵两种。随着现代吊装和运输设备大型化的发展，截流技术逐渐以立堵为主并取代平堵[1-3]。如今，大江大河截流技术方法已成熟，而关键在于如何使截流规划设计及施工应更切合实际、安全可靠而又经济合理。

1 工程概况

金沙水电站闸坝采用“左厂右泄”的布置格局，即左岸布置电站建筑物，右岸布置泄洪、导流设施，如图1所示。金沙水电站工程采用明渠分期导流方式，导流共分为三期，导流明渠布置于右岸，一期进行右岸导流明渠和混凝土纵向围堰施工;二期进行主河床截流，在二期土石围堰和混凝土纵向围堰保护下进行三孔河床溢流坝段、厂房坝段和左岸非溢流坝段施工，水流从导流明渠下泄，如图2所示;三期进行明渠截流。本文主要介绍金沙水电站二期截流施工技术。

因在金沙水电站二期截流完成后，才能正式实现一期导流明渠至二期主体机组主体结构的施工转序，且二期主要包含鱼道、安装间、4台机组及左岸三孔溢流坝施工，工作内容多，直接制约机组发电，所以二期截流至關重要，必须保证一次截流成功。同时，由于金沙水电站截流流量大，水流受上游电站调度影响，因此流量变化大，存在较大的截流难度和风险[4]。

2 截流方案设计

2.1 截流方式

经过方案比选及专家论证后，考虑到围堰断面不大且截流流量较大，对金沙水电站采用提前全断面预进占、单戗（宽戗）单向立堵截流、下游围堰跟进的截流方式。考虑到交通布置及下游左岸防渗墙最深区域的施工时段需求，截流工程从左向右推进，下游围堰（防渗墙高程以下）全段面跟进，并尽早形成防渗墙施工平面，减少后期围堰施工的整体工期。截流前，将上游围堰体整个断面作为戗堤，同时采用上、下游挑角法预进占;形成龙口后，将上游戗堤（顶宽12 m，顶高程1 004 m）单向立堵截流合龙;当龙口宽度达到90 m时，龙口流速为3.61 m/s，此时抛投特殊物料，以确保截流成功。

2.2 截流水力学计算成果

对龙口进行水力学计算[5]如下：① 计算龙口不同宽度的泄水曲线，先假设龙口的宽度，取不同水位计算出龙口的下泄流量，根据计算结果绘制上游水位-龙口流量关系曲线;② 绘制导流明渠上游水位-泄流关系曲线;③ 将上游龙口泄水曲线及导流明渠泄流曲线组合为联合泄流曲线，按截流设计流量，求出不同龙口宽度的泄流量及相应的上游水位，并计算出龙口最大水头H0、单宽流量q;④ 根据龙口泄流量查电站坝址水位-流量关系曲线图，得出龙口下游水位;⑤ 计算出上下游水位差h，判别龙口流态，即当h<0.3H0时，龙口为淹没出流，龙口水深取下游水深;当h=0.3H0时，龙口为临界流，龙口水深取临界水深;当h>0.3H0时，龙口为非淹没出流，龙口水深取临界水深;⑥ 根据龙口单宽流量和龙口水深计算出龙口流速v;⑦ 由上游龙口分流量及龙口水深计算相应龙口水力学指标。所得龙口截流水力学计算参数如表1所示。

2.3 截流规划

上游截流戗堤龙口从左岸向右岸单向立堵进占，根据合龙过程中不同龙口宽度对应的流速v、落差z等水力学指标，将金沙水电站截流施工划分为3个阶段。

（1） 第一阶段为右岸二期上游戗堤预进占，该阶段于2016年10月1日正式开始，10月30日结束。右岸二期上游戗堤预进占长度约20 m，三面放坡坡比1∶1.5，同设计围堰坡比一致;水下部分采用大块石护坡，水上部分采用四面体、钢筋石笼对裹头做好防护。

（2） 第二阶段为左岸二期上游戗堤预进占，该阶段于2016年11月1日正式开始，11月15日结束。上游戗堤左岸预进占约60 m，此时龙口宽度束窄至90 m，平均流量Q=1 470 m3/s，根据截流水力学计算，龙口轴线平均流速为3.61 m/s，落差为1.05 m，形成截流龙口，需采用直径为0.49～0.94 m的大块石进占才可以满足其抗冲流速要求。

（3） 第三阶段为戗堤龙口段截流合龙，该阶段为截流施工最关键阶段，要求不间断施工，一气呵成。根据截流施工组织安排，该阶段于2016年12月21日开始，并于23日结束，在共计37 h内，取得了金沙江大江截流的成功。戗堤龙口段截流合龙分3区段施工。① 第一区段，龙口宽度为90～80 m，龙口水深4.2 m，龙口平均流速3.83 m/s、最大流速4.19 m/s，平均落差1.21 m、最大落差1.47 m，采用铅丝笼和0.51～0.64 m的块石全断面进占，石渣料跟进。② 第二区段，龙口宽度70～30 m，龙口水深4.36 m，龙口平均流速4.73 m/s、最大流速4.90 m/s，平均落差1.78 m、最大落差1.89 m;为减少冲刷流失，以凸出上挑角（约30°）的方式，用直径为0.77～0.94 m的特大块石或混凝土预制块从戗堤轴线上游侧进占，再将石渣抛填在戗堤轴线下游侧。③ 第三区段，龙口宽度20～0 m，龙口水深2.97 m，龙口平均流速3.77 m/s、最大流速3.99 m/s，平均落差1.13 m、最大落差1.27 m;此区段水深逐渐变浅，有利于戗堤稳定，为减少冲刷流失，以凸出上挑角的方式，用铅丝石笼从戗堤轴线上游侧进占，再将直径为0.49～0.63 m的块石抛填在戗堤轴线下游侧。

2.4 抛投物料计算

对创堤龙口段截流合龙3个施工区段的抛投物料进行计算。因截流时水流流速与河床流量略有变化，大块石（见表2）和混凝土四面体实际备料计算如下[6]。

（1） 大块石。截流块石粒径计算公式为

式中：γδ为混凝土密度; D为混凝土四面体折算成球体的直径，m; v为束窄龙口轴线断面最大平均流速，m/s; K为综合稳定系数，取0.72; γ为水密度。

龙口轴线最大流速4.9 m/s，实际施工时，根据现场实际情况，用钢丝绳将3～4块四面体串起进行抛投。已知3～4块四面体混凝土质量为5.39 t，乘以安全系数1.5，得8 t，满足截流抛投体要求。因此，所有抛投物料均按1.5的系数备用，计算成果如表3所示，龙口分区抛投料示意如图3所示。

3 截流施工过程

3.1 施工准备

截流备料场分别布置在左岸上、下游二期围堰备料场，占地面积约3.78万m2。左岸上游二期围堰备料场位于上游索道桥左岸下游，距坝址0.2～0.5 km，堆料高程为1 030～1 037 m，占地面积1.31万m2，堆存量约20.5万m3。左岸下游二期围堰备料场位于左岸距壩下游0.6～1.0 km范围的沿江滩地，紧邻7号进厂公路，堆料高程1 054 m，占地面积2.47万m2，堆存量约30.5万m3。

截流前将左岸厂房边坡开挖取得的大块石、铅丝石笼、四面体、杩槎体等集中堆存至上游围堰备料场，供截流时使用。

3.2 水文监测

为满足截流、科研设计、施工决策对水文监测的需求，共布设6个水位监测站，2个流量监测站（1个河道总流量监测站位于老库滩水位站处，1个截流龙口流量监测站位于上、下围堰之间水流较平稳处），1个龙口流速监测站，1个龙口宽度观测站。在截流施工期间配备专业水文检测人员对水位及流速进行24 h观测。非龙口段每2 h观测一次，龙口段每1 h观测一次。技术人员根据实测的流速分析截流抛投材料粒径，确定截流实施方案，并将分析得到的结果汇报到截流指挥中心，指导截流的实施。

3.3 备 料

结合截流监测结果并根据设计要求，龙口备用抛投物料取抛投物料的1.5倍，因此实际各抛投料备用数量为：混凝土四面体备料1 176 m3;铅丝石笼备料564 m3;大石备料6 962 m3，中石备料20 885 m3，石渣备料5 221 m3，备料总量34 809 m3。备料地点为上游备料场，距截流部位最近（见图2）。

3.4 戗堤预进占

为防止截流时水流携带大块体物料流堆积在上游围堰堰基防渗墙轴线部位，影响堰基防渗墙的施工质量，截流戗堤布置于堰体内防渗轴线下游34.75 m，截流时先进行戗堤进占施工（防渗墙施工平台尾随跟进，保证防渗墙施工工期），在戗堤与上游石渣料间抛填粒径小于20 cm的石渣混合料，以减小防渗墙施工难度。综合比较龙口闭气后堰前水位、安全超高及截流施工布置等方面后，将戗堤顶高程确定为1 004 m。

在戗堤进占后，根据提供的水文、水情预报，流量一旦变大（流速超3 m/s），立即用大块石抛投，并用钢筋石笼对戗堤端进行保护。

3.5 截流施工

2016年12月21日13：00围堰截流正式开始。现场配备25 t自卸汽车20台，PC400挖机3台，CAT330B挖机4台，TY220推土机2台，ZL-50 C装载机2台。

戗堤堤头车辆行驶线路规划为三车道，其中两线为重车卸料进占路线，另外一线为空车返回路线;堤头线路纵向布置共分为3个区：抛投区，待卸区和回车区。为减少倒车距离、加快抛填速度，利用跟进填筑的堰体部分进行回车。在戗堤靠上游侧抛填特大块石及铅丝石笼，在中间及靠下游侧抛填一般块石。主要采用自卸汽车直接抛投，堤头有塌滑趋势时采用堤头集料、推土机赶料的方式进占。堤头抛投主要采用全断面推进和凸出上挑角两种进占方式。

2016年12月21日13：10开始第一区段截流。龙口宽度为90～80 m时，最大流速3.8 m/s，龙口最大落差0.65 m，导流明渠分流比40%，采用0.4～0.8 m的块石全断面进占，石渣料跟进。为满足抛投强度，视堤头的稳定情况，采用以自卸汽车直接抛填为主，部分采用堤头集料、推土机赶料的方式抛投;在塌滑频繁区，全部采用堤头集料方式填筑。

2016年12月21日15：30进入第二区段截流。此时龙口宽度70～30 m，龙口最大流速5.2 m/s，龙口最大落差2.10 m，导流明渠分流比70%。导流明渠分流效果和导流效果较设计效果差，导致龙口流速超设计计算值，此阶段进占十分困难。为减少冲刷流失过大，现场立即加大资源投入，采用凸出上挑角约30°的方式施工，通过汽车将特大块石（粒径与流速匹配）和混凝土预制块串从戗堤轴线上游侧直接抛投进占，再将石渣集中倾倒在戗堤轴线中下游侧，利用2台推土机同时向前推进，保证抛投足够的石渣料，过程中各工序衔接流畅，戗堤进占稳步向前。

2016年12月22日21：00正式进入第三区段截流。此时龙口宽度仅剩20 m，龙口水深2.97 m，龙口最大流速4.3 m/s，龙口最大落差2.43 m。此区段水深逐渐变浅，有利于戗堤的稳定，但龙口流速仍然较大，为减少冲刷流失，采用凸出上挑角方式施工，继续利用混凝土预制块从戗堤轴线上游侧进占，再将0.4～1.0 m的块石抛填在戗堤轴线下游侧，确保截流顺利完成。

金沙水电站截流设计流量为5 a一遇平均流量Q=1 470 m3/s，设计龙口流速最大为4.9 m/s，实际截流时河流平均流量约900 m3/s，实际流量较设计值小，但受导流明渠分流效果影响，龙口最大流速超过设计值，达到5.2 m/s，直接增加截流难度。推测截流流速变大的现象与明渠底板高出河床较多及一期围堰水下拆除高程密切相关。通过精细化组织施工，准备了大量杩槎体、四面体等特殊物料，提前适时掌握上游电站调度情况，截流所需大块石选料、备料直接从左岸边坡选取并堆存于上游备料场;截流时运距较短，施工场地大，机械设备协调方便，实际最大抛投强度达2 700 m3/h。最终经过长达36 h的奋战，金沙水电站二期截流成功合龙。

4 结 语

金沙水电站二期大江截流有以下特点。

（1） 截流流量较设计值小，设计平均流量Q=1 470 m3/s，实际平均流量约900 m3/s，但受导流明渠分流效果影响，龙口最大流速超设计值，从4.9 m/s增大至5.2 m/s，直接增加截流难度。通过精细化施工组织和周密的准备工作，顺利完成截流施工。

（2） 施工现场增设了3台可调节高倍高清摄像头，1台用于戗堤合拢段实时监控，1台用于备料场及道路监控，1台用于戗堤变形监控、预警。仅需要少量的人员就能对整个截流过程进行全方位的实时监控，便于总指挥对截流施工的协调与调度，并且可留存截流视频，利于总结截流施工。

金沙水电站圆满实现大江截流，为水电站按期发电奠定了基础。本次工程实践的成功对其他大江截流施工具有参考意义。

参考文献：

[1] 贺昌海，胡志根，周宜红，等. 立堵截流方案风险度分析[J]. 中国工程科学，2002，4（4）：58-63，68.

[2] 长江三峡大江截流工程编委会. 长江三峡大江截流工程[M]. 北京：中国水利水电出版社，1999.

[3] 王代兵. 江河截流的进展和发展趋势[J/OL]. 基础建设，2017，27. [2022-01-01].  https：//www.qikanchina.com/thesis/detail/2504247.

[4] 胡志根，刘全，贺昌海，等. 水利水电工程施工初期导流标准多目标风险决策研究[J]. 中国工程科学，2001，3（8）：58-63.

[5] 肖焕雄. 施工水力学[M]. 北京：水利电力出版社，1992.

[6] DL/T 5741-2016 水电水利工程截流施工技术规范[S].

（编辑：高小雲）

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