水电站河床导流明渠截流施工及预测试验研究

邓卫军

(韶关市第一建筑工程有限公司，广东 韶关 512000)

截流工程是大型水利枢纽建设的主要工程。水工模型试验研究具有重要意义。例如，葛洲坝水电站在截流前进行了近10年的模型试验。然而，由于影响因素较多，实际截流条件与模型试验存在很大差异，试验结果不能很好地反映实际情况。因此，有必要应用实时跟踪预测试验，为保证合龙工作的成功提供指导。某工程其建设期可分为三个阶段。在整个过程中，长江截流分两次进行，即第二阶段截流切割主河床(主截流)和第三阶段截流封堵引水渠道。

1 某工程截流工程概况

1.1 二期截流工程

主河截流计划于1997年11月底至12月初进行；截流流量为相应10 d的5%，最大平均日流量为9010～14 000 m3/s。设计采用上游堤防为两个方向的单堤垂直截流。

主要河流截流的困难有：①截流流量和截流量很大。②截流河流非常深，最大深度为60 m。试验发现，在填筑过程中，堤头严重坍塌，危及工人和设备的安全。最后，铺垫层被临时填满了 40 m(水深减至27 m左右)，大大减少了堤头坍塌；在关闭过程中应保证正常导航。

1.2 第三阶段明渠截流工程

为了为后续碾压混凝土围堰施工提供充足的时间，2002年11月底决定了第三阶段的明渠截流，截流流量为10 300 m3/s。

第三阶段明渠关闭的技术难点是：考虑到截流流量非常大(9010～12 200 m3/s)，截流落差为3.26～5.79 m，闭合间隙水力指标非常高。为降低填筑和合拢难度，采用上游与下游同时填筑(上游共同承担大部分责任)的方法，共同承担闭合落差应力[1]。导流明渠是一条人工河流，基底光滑(一些次生材料河床保护)，不利于倾倒材料的稳定性。在充填和封闭过程中，倾倒材料被大量浪费。模型试验中采用了几种工程措施以减少浪费。经比较，采用了在上下游堤防封闭区设置钢骨架石笼和合金钢网石袋的挡石坎方案。左岸是一座孤岛；准备材料不够。因此主要依靠右岸倾销。在关闭过程中应保证导航。截至2002年11月1日，施工明渠一直是主要的施工航道。

2 截流工程施工设计与预测试验

2.1 技术常规、技术手段和预测方法

应用重力相似理论进行某工程截流预测试验。主要做了以下工作：根据施工现场各影响因素的动态变化，对模型试验主因子进行修正，在进行模型试验时可以通过水文预报以及截流施工方案来对试验条件进行及时调整。在后续的施工过程中，预览水力条件和潜在影响及其程度，利用计算机网络系统来与施工现场进行实时的检测数据传输，以便现场指挥部作出科学有效的判断。

在闭合跟踪测试中，为了提高测试精度和满足实时性要求，除了采用一些常规设备外，还采用了一些现代测试方法，实现了集中控制、分布式采集、自动处理和实时传输。

建立了两种基本的预测方法来进行试验：①在前期准备阶段或者施工初期在有充足时间的前提下，可以提前进行一些基本试验；在此基础上，可以绘制一系列图表；通过插值法来预测施工现场的情况。②在工程实施的过程中，可以通过建立现场模型来进行实时预测。在这过程中需要充分结合现场的实际情况、水文条件以及施工要求的各方面因素来进行。

2.2 二期截流跟踪预测试验研究

2.2.1 跟踪预测的基础研究

引水渠于1997年5月1日完工。初期流量较小，形成了大规模的泥沙淤积，导致输水断面面积比设计断面最大减少40%。如果沉积物不能及时清除，将大大提高闭合缝的水力指标。由于截流速度很快，明渠中的沉积非常复杂，并且是一个动态过程，因此很难通过现场实时采样进行跟踪预测试验，并通过移动床模型模拟动态沉积扫掠过程。

在上述分析的基础上，将动态连续沉积扫掠过程划分为几个不同高程的移动床界面，在每个界面上测试了闭合间隙闭合过程中闭合水力参数(如闭合间隙、截流流量、流速最大值等)的变化，并建立了各参数的对应图表(如图1所示)。

图1 导流明渠冲淤过程概化图

研究了下游水位上升0.5 m紧急措施下的截流缝水力指标。结果表明：明渠分流比变化不大；闭合落差减小约0.1 m。虽然有一定的效果，但会影响葛洲坝水电站的正常运行；因此，是否应用它应该认真考虑。

2.2.2 实时跟踪预测测试

根据图2，截流期间，模型试验密切跟踪现场施工，并进行了相应的跟踪预测试验。主要成就有：

(1)开放渠道对关闭困难的影响仍然是主要关注的问题。虽然随着截流间隙的增大，明渠导流流量增大，流速增大，对水库有一定的冲刷作用；虽然上堤口狭窄至130 m，但明渠的实际输水断面仅为设计断面的62%～83%。因此，对截流流量为9010～19 400 m3/s时的截流间隙水力条件进行了一些试验。结果表明：截流流量为9010～12 500 m3/s时，截流落差为0.70～1.20 m，堤头最大流速为3.3～4.4 m/s，截流工程是可行的；截流流量为19 400 m3/s时，截流落差为2.29 m，堤头最大流速达6.09 m/s，截流工作不可行。

(2)第一阶段纵向围堰封头拆除设计要求开挖至60.0 m，而实际开挖至70.0 m。余流影响明渠出口水流状态，降低其导流能力。试验中Q=14 300 m3/s时，明渠导流能力降低20%。因此，业主决定尽快拆除剩余的围堰。

(3)通过对跟踪模拟试验结果、水文预报以及航行因素等综合分析，选择分两个阶段进行间隙合并的方式。第一阶段是10月26日，当时截流缺口为130.0 m，到缺口填满时为40.0 m，不仅能保证通航，而且有利于明渠沉积物的清扫。对于第二阶段，通过可靠的短期水文预测，确定了闭合40.0 m闭合间隙的合适时间。决定在11月初进行。

截流缺口填筑和截流过程中的水文原型观测数据表明：截流实际流量为11 600～8480 m3/s。10月26日，截流缺口为130.0 m时，明渠分流率为57.1%；10月27日，差距缩小至40.0 m时，该比率为84.5%；在11月8日正式关闭之前，该比率高达94.2%。实践证明，明渠冲淤能力良好，为最终关闭提供了有利条件[2]。

2.3 三级明渠截流跟踪预测试验研究

2.3.1 降低关闭风险的项目计划研究

关闭总部计划在11月初关闭。根据水文资料，截流能力比设计截流能力高10 300 m3/s[3]；因此，应结合现场施工边界条件，提供计划施工方案。

(1)当截流能力超过设计标准，达到10 700～12 200 m3/s时，采用双堤分担截流落差应力，最终落差为4.31～5.79 m，上下游最大流速分别为7.34 m/s和6.20 m/s。通过在截流缝中设置挡岩坎可以实现截流。挡土墙从120 m延长到132 m，这将大大减少损失。

(2)试验表明：在堤防填筑和关闭过程中，对于上游围堰，岩碴坝应滞后于堤坝填筑40 m，风化砂坝应滞后于堤坝填筑55 m；对于下游围堰，石渣路堤应滞后于堤坝填筑50～60 m，风化砂路堤应滞后于堤坝填筑25 m。

(3)在采用双堤分担落差的截流方式时，上下游堤防及其入口宽度的协调性非常显著。在截流能力为10 300～12 200 m3/s时进行了大量试验，为业主和施工单位绘制了丰富的关系图。

(4)为了减小关闭间隙时下游填筑施工的张力，将间隙宽度从150 m缩小到125 m。虽然水力指标有所提高，但岩石挡土墙仍保持良好状态。

(5)试验发现，上游堤防填筑长度对明渠水流状态影响很大。过长时，下游堤坝的落差荷载显著增加，不利于堤头稳定和挡岩坎。因此，上游堤坝填筑长度以10 m为宜。

(6)在封闭困难地段，倾倒20 t普通容重(2.40 t/m3)混凝土四面体会造成一定损失。通过对比试验发现，如果提高混凝土容重(3.25～3.44 t/m3)，其稳定性将显著增强。因此，建议采用一些大体积重量混凝土四面体。

2.3.2 实时跟踪预测测试

在某明渠正式关闭期间，通过整合水文数据进行了现场和实时跟踪，提供了以下贡献：

(1)起初，由于实际围堰拆除面积不符合设计要求，模型试验发现，当截流能力为10 300～12 200 m3/s时，最终落差将增加0.14～0.25 m。

(2)对于施工单位提出的上游截流缺口石碴水平倾倒至60 m，先填筑左上游堤坝30 m的方案，经试验发现，明渠内水流状况较差，左上游堤头冲刷严重，挡岩坎稳定性也受到影响。业主接受了不采用此类施工计划的建议。

(3)为了降低下游堤防截流过程中的施工强度和倾倒材料损失，施工单位计划对截流缺口进行垫层处理。试验证明：该方案不会增加施工难度，因为明渠水流稳定，倾倒材料和挡岩坎的稳定性良好。该方案已应用于实际施工中。

(4)开放频道定于11月6日关闭。根据水文资料，当日坝址流量为11 000 m3/s，大于设计流量10 300 m3/s[4]。因此，在这种情况下，对上下游堤防的填筑口协调、堤头水力指标和截流间隙进行了一些前瞻性的研究和预测。2002年11月6日，长江的流量为8600 m3/s，在施工人员的努力下，上游和下游的闭合间隙最终分别于09：48和09：55 闭合。某工程明渠截流最终成功。

3 结 论

(1)在设计阶段，通常会通过详细的截流工程演示设计来对水利枢纽的截流工程进行演示，但是在实际的施工过程中，往往会受到边界条件、水文地质条件以及施工进度等各方面的动态因素的影响，导致实际截流水力条件与设计截流水力条件之间存在一定的差异，对截流工程的实施以及顺利完成都带来了一定的影响。某工程在实施截流的过程中通过选择水工模型跟踪试验的方式来实时的为截流工作提供较为丰富的数据信息，通过这些数据信息现场合拢指挥部可以做出及时有效且较为科学的指挥，保证了合拢工作的顺利完成。

(2)考虑到截流工作的补充期通常较短，水工模型试验需要一定的时间；为了充分利用有限的时间，模型跟踪测试通常分为两个阶段。第一个是在准备截流和计划堤坝填筑时。在此期间，截流边界条件、水文预报和施工方案已初步确定。在已知条件的基础上，分析了潜在的困难，进行了一些基础研究，形成了一系列图表，以供将来参考。第二阶段是关闭阶段。结合水文资料，通过水工模型试验跟踪原型施工全过程；实时跟踪浇筑过程中的水力参数，并通过互联网将所有测试结果及时反馈给业主单位、设计单位、监理单位和施工单位。