单戗单向立堵截流在巴塘水电站截流施工中的应用分析

于广斌，双学珍

(1.中国安能集团第三工程局有限公司成都分公司，成都，611130；2.四川水利职业技术学院，成都，611830)

1 工程概况

巴塘水电站位于金沙江上游河段四川省和西藏自治区的界河上，为金沙江上游河段十三级开发的第九级电站，工程为Ⅱ等大(2)型，以发电为主。左岸布置1条导流洞、1条泄洪放空洞，采用上、下游全年土石围堰挡水，隧洞过流的导流方案。围堰堰高51.8m，设计洪水标准为20年一遇洪水重现期，相应的洪水流量Q=5960m3/s。本工程于12月初预进占，12月下旬截流。采用单戗单向立堵截流方式，由右岸向左岸进占，直至龙口合龙。截流设计流量取金沙江12月份下旬10年一遇平均流量，Q=322m3/s。

2 巴塘水电站截流特点及难点

(1)河床地形复杂，地质条件差。上游围堰河床段覆盖层厚25m～55.5m，物质组成以砂卵砾石为主，抗冲刷能力弱。白格堰塞湖泄流后，河床底部淤积情况不明，也增加了许多不确定性。对截流备料选择和戗堤进占影响较大。

(2)分流条件决定截流施工难易。根据水工模型试验数据，导流洞口围堰拆除后即进行分流，当达到截流设计流量322m3/s时，导流洞分流流量为125m3/s。因此，分流流量完全取决于进、出口段堰梗拆除质量。

(3)右岸进占区狭窄，抛投强度受到影响。右岸进占至40m时，即进入到龙口区，车辆、施工设备布置上较为拥挤，抛投强度受到影响。

(4)运输道路较远，截流组织难度大。截流备料场距戗堤0.8km，只有2#单条道路到达戗堤，车辆循环运输较为困难，对现场截流组织要求高。

(5)戗堤顶高程较高，堤头保护难度大。根据水工模型试验数据，截流时水面高程为2490.53m，龙口合龙后水面高程为2493.48m，考虑到安全超高，戗堤顶高程不低于2496m。因此，抛投物料时，堤头挂渣情况较为严重，堤头下部易被冲刷，进而增加堤头滑塌风险。

3 截流方案设计

3.1 截流时段及截流标准

根据进度计划安排，2021年4月底前需完成围堰施工，确保度汛安全。巴塘水电站最迟截流日期2020年12月28日，导流洞分流日期12月26日。坝址12月-3月为枯水期，截流设计流量取金沙江12月10年一遇的旬平均流量，Q=322.0m3/s。实际截流中12月26日流量为325m3/s，12月27日为327m3/s，流量选择较为准确。

3.2 戗堤布置和龙口设置

为充分利用戗堤，减少围堰填筑量，戗堤轴线布置于上游围堰轴线上。考虑白格堰塞湖后河床抬高的不确定因素，堤顶安全超高取1.5m，拟定堤顶高程为2496m。考虑施工方案和截流强度要求，为满足4台自卸车同时卸料需要，戗堤顶宽设置为25m，上、下游坡比为1∶1.5，堤头坡比为1∶1.3。

本工程戗堤布置处河床断面宽约220m，截流前戗堤需进行预进占。其中左岸预进占长度100m，(裹头防护处理25m)；右岸预进占50m(裹头防护15m)，形成龙口宽度70m。龙口位置及宽度示意见图1。

图1 龙口位置及宽度示意

3.3 截流方案选择

根据现场实际，截流道路仅为右岸1条道路，截流料堆存在右岸备料场。同时主河床偏右，龙口合龙段应尽量向河床左侧偏移，降低截流难度。因此，单向单戗立堵截流方式符合现场实际，该方式具有准备工作简单、造价低、截流填筑强度高等特点。

3.4 水力学计算

3.4.1 计算内容

(1)导流洞上游水位与泄流量关系曲线；

(2)不同龙口宽度上游水位与龙口泄流量关系曲线；

(3)截流过程中各水力参数。

3.4.2 计算公式

(1)合龙过程中的河道流量计算

Q=Qg+Qd+Qt+Qs

式中：Qg——龙口流量(m3/s)；

Qd——导流建筑物分流量(m3/s)；

Qt——上游河槽中的调蓄流量(m3/s)；

Qs——戗堤渗透流量(m3/s)。

在截流设计水力学计算时，考虑截流期间壅水较低的情况，故上游河槽调蓄流量忽略不计；同时站址处河床狭窄且戗堤较短，截流戗堤渗流量可作为安全裕度，不计入。

(2)导流洞分流计算

式中：σ——淹没系数，下游自由出流，取1；

m1——流量系数，取0.35。

(3)不同龙口宽度的上游水位与龙口泄流量关系

式中：σ——淹没系数；

m2——流量系数，梯形龙口取0.32；

Bcp——龙口平均水面宽度(m)。

3.4.3 成果数据

根据计算数据绘制导流洞泄流曲线和龙口泄水曲线，并把两类曲线组合为联合泄流曲线；再根据截流设计流量，求出不同龙口宽度的泄流量及相应的上游水位；最后由上游龙口分流量及上游水位计算其龙口水力学指标。截流戗堤龙口进占过程水力学计算成果见表1。

3.5 龙口分区

根据水力学模型试验成果结合龙口布置情况，截流戗堤分为非龙口段和龙口段。截流戗堤非龙口段主要为两岸预进占段，龙口段施工分为3个区段：龙口Ⅰ区、龙口Ⅱ区和龙口Ⅲ区。具体龙口分区见图2，龙口分区特性表见表2。

图2 龙口分区

表2 龙口分区特性

3.6 水工模型试验成果分析

随着龙口的缩小，龙口的单宽流量及单宽功率在开始段随龙口的缩小而增加，至龙口宽度为20m时，达到最大，单宽功率为126.14t·m/s·m，尔后又随着龙口的逐渐缩小而减小。龙口附近的流速也同样随着龙口宽度的缩小，呈现逐渐增大后逐渐减小的变化规律，当龙口宽度为35m时，达到最大，最大流速为5.50m/s。龙口中心始终为主流方向，最大流速均出现在龙口中心线上，戗堤端部流速均小于中心线流速，整个截流过程中龙口水位落差较大，戗堤合龙后最大上下游水位差6.65m。截流龙口水力要素见表3。

表3 截流龙口水力要素(不护底)

3.7 截流备料

借鉴金沙江苏洼龙水电站截流成功经验，考虑巴塘水电站截流工况，石渣料备料系数1.5，块石料备料系数2.2，另需制作钢筋笼、混凝土四面体等特殊物料在龙口合龙最艰难情况下使用。

4 截流实施

4.1 预进占

根据施工安排，2020年12月上旬开始进行预进占，2020年12月10日，完成左、右岸预进占，预留龙口宽度为69m。上游来水量为422m3/s，水位为2488.82m，堤头表面最大流速为3.5m/s，龙口落差3.1m，左、右岸戗堤存在不同程度冲刷，料径10cm以下石渣料流失严重，采用大块石、钢筋笼等对裹头进行保护。其中左岸裹头防护10m，右岸裏头防护15m。

4.2 龙口合龙

堤上车辆运行线路拟布置为四车道，重车道用来运输大石、中石、石渣、混合料及截流特殊材料，卸料区为堤头部位，等待区位于堤头左侧或预进占区加宽部位，返回的车辆从戗堤中部离开，避免了重车和空车的相互干扰。在2020年12月26日11时开始进占，采用直接抛投法，即自卸汽车运料至堤头后直接卸料入水，少量石渣由推土机配合推入水。当进占45m后，进占出现困难，堤头受冲刷局开始坍塌，30cm以下粒料开始流失。进占方式采用上挑角法，即在堤头上游侧与戗堤轴线成30°～45°角的方向，用大块石和特殊材料抛填形成一个防冲矶头，在防冲矶头下游侧形成回流区，为保证戗堤稳定，在戗堤下游用大块石或钢筋石笼压脚，中间用中小石、石渣混合料尾随进占。当进占至35m后，戗堤进占极为困难，上下游挑角由钢筋石笼改为混凝土四面体串和钢筋石笼串混合使用。采用推土机将用钢丝绳串联的4～6个钢筋笼、四面体推入龙口，以确保戗堤正常推进。当龙口宽度为12m时,堤头表面流速达到5.5m/s～6.0m/s，龙口落差达到6.60m。采用推土机将钢丝绳串联的8～10个钢筋笼、四面体串推入龙口上游，龙口中部高强度交替抛填石渣和2m3以上巨石，龙口宽度慢慢缩窄，龙口底部高程逐渐抬高，龙口水流流速逐渐减小,至2020年12月27日14时30分,实现龙口合龙，历时27h。据施工统计，共完成龙口抛投3.5万m3，小时强度1296m3/h。

图3 预进占现场

图4 龙口合龙现场

5 结论

(1)单戗单向立堵法应用条件。巴塘水电站选择单戗单向立堵截流，主要考虑施工场地受限，双向进占不能满足施工要求；主河床位置靠右岸，进占时尽量将合龙段推至左岸，降低截流难度；配备数量众多的挖装设备，以高强度抛投，减少物料流失，加快合龙速度。巴塘水电站顺利截流，表明在龙口流速5m/s～6m/s，截流落差不大于6.5m时，只要堤头护好，抛投强度高，现场组织有力，单戗单向立堵法截流是经济合理的截流方案。

(2)导流建筑物分流条件对截流的影响。巴塘水电站堰梗拆除后分流效果不理想，出口段泄流效果也未达到预期，导致在进占初期，只能继续戗堤推进以不断壅高水位，逐渐达到分流要求，增加了截流难度。因此，导流建筑物分流条件的好坏，是截流施工的关键条件，堰体拆除质量必须达到设计要求。

(3)堤头防护措施必须高度重视。巴塘水电站截流到达预留龙口段时，对左堤头防冲裹头进行了处理，采用大块石、钢筋笼等进行防护，水下采用抛填、水上采用挖掘机码方处理，防护厚度约6m，防护长度顺水流方向约25m。但在戗堤推进至25m时，左堤头仍出现局部滑塌，不得不重新进行左堤头防护，增加了截流难度。因此，采用单向单戗立堵截流时,对面堤头防护必须高度重视，防护措施必须按设计要求做到位。

(4)特殊物料备料应充分。巴塘水电站截流龙口段进占至45m后，龙口水力学指标相对较差，进占受到影响，需采用钢筋笼、四面体进行上游挑角，下游防护保护措施。随着龙口不断缩短，钢筋笼串、四面体串更加频繁使用，将串体摆放在堤头上游侧,用推土机推入水中,形成回旋区域，高强度抛填块石料，加快龙口合龙速度。巴塘水电站顺利截流,截流备料时，特殊物料备料系数达到2倍以上，单个钢筋笼重量达到6t，单个四面体重量达到7t。截流过程中特殊物料发挥至关重要作用，因此，特殊物料备料必须引起高度重视，备料系数应尽量加大。

(5)高强度抛投对改善龙口流态、减小落差起关键性作用。巴塘水电站截流龙口最大落差达到6m，龙口宽度12m处形成水力坡降，物料抛投后，顺坡被冲至下游，极难在龙口形成戗体。采取堤头4台自卸车不间断同时卸料，加大抛投强度，用极短的时间，迅速填平落差，改善龙口流态，最终在龙口宽度5m时，流态趋于稳定，龙口底部合龙。因此，高强度抛投是改善龙口流态、减少落差的重要手段，施工组织必须加强。

(6)截流现场指挥得力，是保证抛投强度的前提。高效的组织是保证戗堤抛投强度的前提。巴塘水电站在截流前，施工单位编制了截流手册，对截流程序、截流指挥、物料使用和进度安排，进行了交底，落实到各参建人员，并组织了2次实地截流演习。截流过程中通过强有力指挥，强有力调度，在保证安全的同时，最大限度发挥施工设备的效率，满足了抛投强度需要。