泥沙控制和疏浚技術在水電工程中的應用

童光海

(葛洲壩集團第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級電站。其上游緊接錦屏一級水電站，下游依次為官地、二灘和桐子林水電站。

錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段150 km 長大河彎的天然落差，通過長約16.67 km 的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310 m。電站總裝機容量4800 MW，單機容量600 MW。工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。首部攔河閘壩位于雅礱江錦屏大河彎西端的貓貓灘，電站進水口位于閘址上游2.9 km 處的景峰臨時橋，地下發(fā)電廠房位于雅礱江錦屏大河彎東端的大水溝，四條引水隧洞穿過錦屏山連接閘壩與廠區(qū)樞紐。

電站進水口位于雅礱江大河彎西端景峰臨時橋下游550～730 m 的右側凹岸，為獨立岸式進水口。攔污柵布置在地面岸塔式攔污柵墩內，進水口事故閘門采用地下洞內豎井式布置。攔污柵布置在連續(xù)通長的攔污柵墩內，攔污柵底檻高程為1618 m，檢修平臺高程為1659 m，各攔污柵墩之間在死水位高程1640 m 以上采用胸墻連接，墩后為通倉流道接引水隧洞進口喇叭段，總長44.5 m，4個進水口中心軸線間距36 m(圖1、2)。

圖1 錦屏二級水電站進水口平面示意圖

2 立項研究的背景

2010年二汛時，雅礱江錦屏二級水電站進水口段最高水位高程約1646.8 m，圍堰堰頂高程約1641 m，基坑總儲水方量約25萬m3，攔污柵基坑懸移質泥沙沉積約5.4萬m3，其中上游端外側淤沙最大高度約18 m，下游端內側淤沙高度約4 m，基坑從上游端外側至下游端內側整體呈斜面淤積。三枯抽水清淤時，由于攔污柵主要建筑物還未開始澆筑，施工場地較開闊，圍堰內基坑抽水清淤總耗時約33 d，清淤主要采用大批量大型挖裝設備提閘后直接進入基坑清淤。

圖2 錦屏二級水電站進水口縱剖面示意圖

2011年三汛時，雅礱江錦屏二級水電站進水口段最高水位高程約1648.6 m，圍堰堰頂高程約1641.7 m，基坑總儲水方量約24萬m3，攔污柵基坑懸移質泥沙沉積約4.4萬m3，其中外側端淤沙最大高度約9 m，內側端淤沙高度約4 m，基坑從外側端至內側端整體呈斜面淤積。四枯抽水清淤時，由于攔污柵主要建筑物已經形成，施工場地受柵墩影響較狹窄(柵墩間凈空6.5 m)，圍堰內基坑抽水清淤耗時約42 d，清淤主要采用多臺抽沙泵抽沙和小型挖裝設備提閘后直接進入基坑清淤。但所使用的抽沙泵受吸程影響，抽沙效果不佳;小型挖裝設備進入基坑后，由于淤積層富水，場地狹窄，淤沙開挖進展緩慢。

錦屏二級水電站進水口相關主要建筑物在2012年4月底已全部完成。按照設計方提供的《1#引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗計劃安排報告》的倒排工期要求，進入基坑內抽水清淤的時間不能遲于2012年10月15日，抽水清淤計劃歷時15 d。與二汛和三汛同期比較，若不采取相應措施，由于攔沙坎設計高程為1635 m，進入攔污柵基坑內的懸移質泥沙沉積將大大超出5.4萬m3，此時正處于汛后江水過渡期，仍存在水下清淤的風險;且干地進入基坑清淤的計劃工期不能滿足充排水試驗要求。

為此，研究如何限制泥沙進入攔污柵后和閘前引水隧洞空間，以減少懸移質泥沙進入進水口基坑總量，如何有效地在汛期進行泥沙清理是確保業(yè)主2012年年度發(fā)電目標順利實現(xiàn)的關鍵;同時，亦將為國內類似工程泥沙的控制和處理施工提供參考。

3 采取的方法和措施

(1)擋沙方案和措施。

利用攔污柵16扇工作柵布置擋沙濾水設施。其中，攔污柵柵葉格柵凈孔尺寸為700 mm×150 mm，胸墻下高度為22 m。考慮到汛期的泥沙運行狀態(tài)，同時，為防止土工布意外被破壞后進入基坑，胸墻下22 m 利用工作柵肋板設置攔淤手段。

擋沙濾水設施布置:下部9 m 依托攔污柵柵葉固定3 mm 厚鋼板擋沙，上部13 m 依托攔污柵柵葉固定土工布及土工格柵濾水阻沙。

在汛前對攔污柵基坑反充水時，利用柵頂啟閉門機先放下1扇備用柵，提起對應的工作柵，以滿足內外水壓平衡;充水結束后，再放下提起的工作柵擋沙，最后提起備用柵。清淤結束后，反順序逐柵吊起工作柵，拆除擋沙設施。

(2)清淤方案和措施。

采用組裝式SJS180氣力泵疏浚船進入攔污柵柵前基坑清淤。江蘇產氣力泵SJS180型船舶尺寸為22.5 m×5 m×1.2×0.7 m(型長×型寬×型深×吃水)，其最大疏浚深度為40 m，最佳作業(yè)水深為25 m 以內，生產能力為180 m3/h，額定排料距離為500 m，非常適合細沙、淤泥等淤積物的疏浚作業(yè)。

設備進場后，臨時存放在攔污柵閘墩平臺上，采用吊車將浮箱逐個吊放到水面并完成拼裝，然后依次安裝其他設備并固定。撤場時，順序相反。

所有設備全部安裝在浮箱拼裝而成的工程船上，工程船的移位通過分別設置在擋沙坎、上游側導水墻、下游側導水墻上的地錨完成。

排泥管為尼龍管，接近泵體處采用膠管，管徑DN180 mm，用浮體固定漂浮在水面，也可在岸邊布置地壟用鋼絲繩拴牢，避免水流沖擊失穩(wěn)，隨作業(yè)點的變動及時調整長度，排泥口設于下游側導水墻的下游50 m 外，避免泥沙回流，具體根據(jù)水流情況確定。

疏浚清淤采用自上游而下游的作業(yè)方向，將清淤區(qū)域劃分成若干條帶，采用拖挖方式進占作業(yè)。對于任一條帶，一般按自深而淺的順序進行清淤。對于無法進入的死角，通過設置高壓射水槍對死角淤積物進行擾動以達到最大可能的清除目的。

清淤后的效果檢查:主要采用比較直觀的潛水員持水下攝錄設備水下攝像和側掃聲納對水底進行掃描獲取圖像兩種方法進行定性和定量分析。

4 取得的成果

(1)擋沙設施的布置。

2012年進入主汛期后，受雅礱江上游來水影響，進水口段水位持續(xù)走高。

2012年7月30～31日浚前測量:攔污柵前上游段泥層均厚10.11 m;中段泥層均厚6.09 m;下游段泥層均厚2.57 m。測量攔污柵柵后泥層均厚3 m 左右，其中上游段約2.4 m，下游段約4 m。

從測量數(shù)據(jù)看，攔污柵柵前泥沙為上游高、下游低，而柵后為上游低、下游高，且對應段泥沙泥面高差最大達8 m(上游段)，說明布置擋沙設施后效果明顯，柵前、柵后淤積走勢符合水流回流趨勢。

(2)柵前清淤。

清淤作業(yè)區(qū)域共分17段，從上游至下游依次為上游斜坡段及攔污柵墩間16個孔段。清淤作業(yè)時先是船頭朝上游方向，從第12孔段開始清淤至上游斜坡段，隨后船體掉頭，依次清理下游剩余4個孔段。2012年8月11～13日浚后測量結果為:泥面平均標高為1618.52 m，即泥層均厚0.52 m。

根據(jù)測量結果計算，第一次清淤前總淤積量為13555.93 m3，清淤后淤積量為1276.45 m3，實際完成清淤12279.5 m3。清淤累計用時182.25 h，平均生產能力為67.4 m3/h;扣除輔助作業(yè)及移點時間，清淤機生產能力為151.9 m3/h。

(3)柵后清淤。

進入攔污柵柵后部位水面周邊無通道，施工從攔污柵柵頂備用柵槽吊入自制浮體，安裝SSYA200型清淤機，排泥管引接至攔污柵平臺，通過柵頂排水溝排放。

攔污柵柵后布置有縱橫支撐梁、隔墻等混凝土結構，布置高程分別為1640.7 m、1645.9 m 和1651.8 m，浮體進入柵后受水位影響始終不能全面正常實施清淤，僅間斷進行橫撐梁前柵墩之間局部范圍的清淤施工，且工效低下。

清淤施工過程中，根據(jù)浚前、浚后柵后測量數(shù)據(jù)計算，采用SSYA200(計算生產能力為15 m3/h)清淤機組的生產能力分別為6.55 m3/h、8.83 m3/h 及7.53 m3/h，平均每小時生產能力為7.64 m3/h。

由于清淤時間問題，最終1#～2#洞洞前清淤完成(回淤后約1 m 泥厚)，3#～4#洞洞前剩余泥厚約3 m 未能完成。共完成泥沙水下清淤4800 m3，剩余泥沙方量約5000 m3實施了干地清淤。

(4)清淤成效。

對上述成果進行分析后認為:采用該種水下清淤方法，在最終清淤后再次對水下進行一次重復清理，能夠具備達到30 cm 殘留的能力。

5 存在的問題

5.1 擋沙土工材料

(1)土工布的選型。

通過測量計算，攔污柵柵前淤積量約13556 m3，柵后淤積量約6500 m3，滲透率達48%。經分析，主要原因為設計給出的土工布網孔等效孔徑指標為0.3 mm，按泥沙顆粒級配參數(shù)分析，理論上可以有90%左右的泥沙通過土工布滲透至柵后。同理，若定制采用等效孔徑為0.07 mm 的土工布，理論上可以有50%左右的泥沙通過土工布滲透至柵后;按照實測數(shù)據(jù)推算，實際滲透至柵后的泥沙不會超過30%。

(2)擋沙鋼板布置高度。

在布置方案中，攔污柵擋沙采用“9 m 高鋼板+13 m 高土工格柵”布置，汛期首次擋沙即出現(xiàn)上游段超過9 m 限高情況;而在“8.30群發(fā)性地質災害”后，泥面突然性再次加高至17 m，使得鋼板上部土工材料受損，柵前、柵后泥沙串通。若根據(jù)既往泥沙淤積情況有針對性的加高擋沙鋼板的布置高度，可以有效地增加擋沙、擋渣的效果，且具有抵御突發(fā)性狀況的能力。

5.2 水下清淤

對于攔污柵柵前水下清淤，采用組裝式SJS180氣力泵疏浚船進入攔污柵柵前基坑清淤效果十分顯著，但在泥沙較厚部位中下部存在一層板結層(俗稱“鐵板沙層”)。其清理須在泵頭輔助采用高壓水槍進行擾動后方可正常清淤。

對于攔污柵內建筑物較狹小的空間(如攔污柵柵后)，采用改進型SSYA200清淤機組進行清淤可以實施，但工效較低。

對于引水隧洞進口段建筑物內的清淤，雖然做出了一定的嘗試，但從測試階段的成果分析，存在較大的風險。

6 結語

采用擋沙設施阻沙和氣力泵水下清淤技術，對于內河水電站泥沙控制是適用的、可行的。

(1)對于錦屏二級水電站進水口采用的類似攔污柵結構，采取擋沙設施應盡量使用鋼板滿鋪，以避免突發(fā)性地質災害影響。若受其它條件限制，仍需采用土工格柵結構時，則須根據(jù)泥沙的顆粒級配分析資料，確定土工材料的相關參數(shù)，并采取合理的加固措施。

(2)對于水電工程取水建筑物基坑施工期泥沙的清理，采用組裝式SJS180氣力泵疏浚船水下清淤是適用的、可行的。但仍須采用相應的輔助措施，盡最大努力避免泥沙大量進入建筑物內部，以減小后期清理的難度。

(3)水電工程施工期泥沙水下清淤采用組裝式疏浚船結構應盡量避免采用“一字型”船體，建議組裝為“L 型”或“T 型”或類似結構。雖然在使用過程中船舶移動阻力較大，但仍可與清淤工況匹配，且具有較強抵御意外傾覆的能力。