貫流式機組汛期過流圍堰高效填筑關鍵技術研究

劉昌宇 舒磊 肖偉明

【摘要】新干航電樞紐工程處于贛江中游，4～6月為主汛期，二期泄水閘工程過流圍堰于7月進行進占，7月31日截流，施工期未脫離汛期影響，圍堰施工期過水頻繁。圍堰填筑工期緊，施工難度大。采取自潰式子堰設計、設置預備沖水口、過水堰護面結構、裹頭挑流及集料平臺等施工技術，在汛期影響下，高效、安全完成過流圍堰填筑為類似工程積累了寶貴的經驗。

【關鍵詞】過流圍堰汛期填筑；自潰式子堰

1、工程概況

按照合同文件規定，新干工程采用分期導流方式，分兩期導流，一期工程分別圍左岸船閘及其相鄰9.5孔泄水閘工程、右岸電站廠房（含相鄰1.5孔泄水閘工程），二期工程圍右岸其余13孔泄水閘工程。

二期泄水閘工程圍堰截流須具備如下條件：

⑴ 一期泄水閘工程9孔弧形閘門可正常調度運行；

⑵ 一期泄水閘工程及船閘圍堰已全部拆除完畢；

2017年7月初，項目具備二期泄水閘工程圍堰戧堤進占條件，至2017年7月下旬具備二期泄水閘工程圍堰截流條件。

2、水文氣象地址條件

2.1 水文

贛江為雨洪式河流，洪水由暴雨形成。受天氣系統影響，4月～6月份洪水由鋒面雨形成，往往峰高量大；7月～9月份洪水一般由臺風雨形成。一次洪水過程一般為7天～10天，長的可達15天，最短的僅為5天。峰型與降水歷時、強度有關，多數呈單峰肥胖型，一次洪水總量主要集中在7天之內。

2.2 氣象條件

贛江流域屬亞熱帶濕潤氣候，東亞季風區。贛江流域多年平均氣溫在17.2～19.3℃之間，極端最高氣溫41.6℃，極端最低氣溫-14，3℃。流域內多年平均降水量在1300～1800mm之間，各站實測多年平均蒸發量為1294～1765mm，最大日暴雨量多出現在4～9月，5～6月以鋒面雨的形式出現使大暴雨更集中，7～9月主要是受臺風影響產生暴雨。流域內多年平均風速為1.1～2.9m/s，最大風速30m/s，相應風向為西（w）風。流域多年平均相對濕度76%～82%，多年平均日照小時數l628～1875h，多年平均無霜期252～288d。

二期左岸縱向圍堰為混凝土縱向圍堰，由W3標施工，目前已完成。

3、圍堰汛期填筑重點難點

本工程二期泄水閘閘壩屬于反季節施工，具有需要同時施工的部位多、關聯關系復雜、節點控制性工期嚴、施工工藝要求高等特點；過水圍堰設計與汛期快速截流是項目成敗的重點，而施工任務繁重、有效施工時間短、工期壓力大、施工強度高且集中、施工風險大是二期泄水閘圍堰汛期施工最大難點。

根據施工總進度計劃、氣象水情和目前施工準備情況，二期圍堰填筑時段為2017年7月1日～2017年8月31日，截流時間擬確定為2017年7月31日，截流流量為選擇5年一遇7月下旬旬平均流量1750m3/s，具有以下特點：

（1）進占之前，必須掌握7～8月份工程上游地區的水情氣象預報，針對可能出現的水情做好相應標準的預防措施；圍堰進占的組織機構、設備人員、技術方案、物資材料等準備到位；

（2）二期泄水閘工程圍堰填筑、圍堰防滲、泄水閘工程基礎開挖、基坑排水等存在平行施工問題，相互干擾較大；

（3）二期圍堰填筑時間短、工期緊，對設備的數量和性能要求高，配備滿足施工強度的設備是實現目標的關鍵；

4、過流圍堰關鍵技術

4.1 自潰式子堰

當贛江來水超過圍堰擋水標準，二期圍堰需要過水與左側9孔泄水閘聯合泄流，子堰要求達到自潰標準，以降低庫區水位，不對贛江防護堤及兩岸居民造成危害。當堰前洪水全部漫頂后，子堰自裹頭端至砼縱向圍堰端全部自潰，由于基坑提前已經充水，漫頂時圍堰內外水位落差不到2m，過堰水流較為平順。子堰自潰后，洪峰順利通過樞紐下泄，自潰式子堰結構采用粘土填筑結合土工膜防滲、外部采用石渣護面。

汛后，堰體損失小，子堰潰決料被沖至圍堰下游邊坡，護面砼大部完好無損，上游面護坡塊石基本仍分布在主堰堰頂范圍，上下游恢復子堰填筑料小，子堰能快速修復。從基坑撤退洪峰來臨到基坑泄水閘恢復正常生產，預計僅需半個月。

4.2 充水口布置

當贛江通過流量大于8670m3/s時，上游水位達到圍堰自潰子堰頂高程，圍堰過水，此時上游水位為29.5m，下游水位為27m，基坑高程13m，水位落差達16.5m，為減小圍堰過水帶來的堰體破壞，提前充水至上游主堰體堰頂高程29.5m以上，實現工程安全度汛。在二期泄水閘下游橫向圍堰靠混凝土縱向圍堰處設置非常溢洪道作為基坑預充水缺口，明渠為梯形斷面，充水缺口寬度初定20m，充水缺口高程▽26.0m，下部采用1.0m厚鋼筋石籠防護，滿足圍堰及基坑抗沖防護要求。此外結合原廠房縱向圍堰遺留的粘土心墻，開挖了一個充水槽，充水槽長約25m，為板結粘性黃土，將水流導引至二期基坑，作為預備充水口。洪峰期間，基坑預設的2處充水口向基坑同時充水，預計充水達到29.5m高程歷時6h，充水即可達到預期效果。預充水與增加充水口的方式屬于大流量洪峰來臨時的應急避險措施，規避了石虎塘船閘圍堰及株洲泄水閘圍堰當時因充水口斷面小或位置選擇不當等問題而導致圍堰潰決的風險。

4.3 過水堰護面結構

本工程二期圍堰汛期導流建筑物為左岸9.5孔泄水閘及寬約250m的上下游圍堰過水體臺形堰，根據模型試驗及基坑充水后的汛期水力學計算成果，在設計導流標準條件下，堰面最大平均流速為2.9m/s，基坑最大平均流速1.4m/s。類似工程過水堰常采用較厚的混凝土護面或鋼筋石籠作為過流防沖消能結構，甚至設置鋼筋砼消能工防沖，成本較大。石虎塘及長沙樞紐采用噴射掛網混凝土與鋼筋石籠的方式，施工及搶修難度大，施工成本高，施工周期長，本次設計結合模型試驗成果及采取的充水保護度汛措施，上游圍堰大膽采用了薄層混凝土護面的結構，在背水坡面采用石渣填筑料進行坡腳蓋重，可取得理想的過流防沖效能效果。此外，在主堰體頂部設置砼齒墻，一定程度上也加了護面砼板的穩定性。而上游圍堰迎水面及下游圍堰均采用適應變形能力良好的拋投大塊石及石渣進行護面。護面設計施工簡單，施工速度快，總體經濟效能及實際應用效果良好。

5、導流建筑物設計

按照合同文件規定：二期泄水閘工程枯期圍堰設計洪水標準按枯期（8月～翌年3月）5年一遇洪水，相應設計流量為8610m3/s，相應上游水位為33.0m，下游水位為31.0m，圍堰堰頂高程按照設計水位加波浪爬高值和安全超高值確定，由此確定上下游三枯枯水圍堰堰頂高程分別為34.2m及32.2m。

二期圍堰截流戧堤斷面為梯形斷面，頂寬10m，可滿足3輛20t汽車同時卸料，戧堤頂高程按不低于截流后的上游最高水位。由此確定截流戧堤頂部高程為▽29.5m；截流戧堤頂寬10m，兩側邊坡坡比均為1：1.5。

5.1導流工程結構設計

⑴ 圍堰布置

泄水閘工程圍堰均為枯水圍堰，包括三枯及四枯枯水圍堰。二期泄水閘工程圍堰包括上游橫向圍堰、下游橫向圍堰、右側土石縱向圍堰、左側混凝土縱向圍堰。橫向圍堰右側與廠房縱向圍堰連接，左側與縱向混凝土圍堰連接。

上游圍堰起點在廠房縱向圍堰上游側距壩軸線約125m處，圍堰軸線長度約283m；下游圍堰從廠房下游圍堰終點向前延伸直至縱向混凝土圍堰，圍堰軸線長度約270m。

⑵ 圍堰結構

① 三枯上下游枯水圍堰結構

迎水側及背水面邊坡坡比均為1：2，上下游枯期迎水側均采用0.6m厚塊石護坡，下設0.3m厚過渡層。

按照招標文件規定的導流標準與模型試驗成果，為節約施工工期，保障汛期度汛安全，參照類似地質條件的湖南湘江土古塘航電樞紐工程，采用自潰式子堰代替圍堰拆除的方式：當河流上游水位達到圍堰自潰子堰頂高程，主堰體堰頂高程以上子堰在上游過水時自潰，圍堰過水。在設計導流標準條件下，通過適當的堰面及基坑防護措施是可以確保安全度汛的。當汛期河水流量在8610m3/s以下時可繼續進行二期泄水閘工程施工。要求自潰式子堰應在汛期河水流量達到8610m3/s時能夠自潰，以滿足度汛要求。上游子堰高4.7m，堰頂寬度3m；下游子堰高5.2m，堰頂寬度3m。子堰采用黏土填筑，迎水面邊坡坡比為1：1.5，背水面為1：2，子堰兩側均采用0.5m厚石渣護坡。

截流戧堤設置在上游圍堰，頂寬10m，戧堤頂高程▽29.5m，戧堤邊坡坡比均為1：1.5。

二期右岸縱向圍堰上游側約60m、下游側約100m利用原廠房縱向全年圍堰（廠房縱向全年圍堰上游側拆除至▽34.20m、下游側拆除至▽32.20m）作為堰體，其余部分采用砂礫料與黏土填筑。

考慮到本工程河床砂礫石覆蓋層較厚，且強透水性強，泄水閘工程枯期圍堰堰基擬采用高噴防滲墻防滲，高噴防滲墻深入強分化巖石以下0.5m。

② 四枯枯水圍堰結構

四枯枯水圍堰在三枯枯水圍堰基礎上重建，結構與三枯枯水圍堰一致。

二期泄水閘工程圍堰三汛期間基坑過水需考慮充水保護措施，擬在二期泄水閘工程下游橫向圍堰靠混凝土縱向圍堰處設置非常溢洪道作為基坑預充水缺口，充水缺口寬度初定20m，充水缺口高程▽26.0m，采用0.5mC15混凝土護面，滿足圍堰及基坑抗沖防護要求。

汛期過后，抽排基坑內積水，恢復子堰，在圍堰保護下進行后續工程施工。

5.2二期圍堰結構穩定分析

⑴ 圍堰邊坡穩定分析

圍堰填筑料物理力學參數見表1。

圍堰邊坡穩定分析一般采用圓弧法和折線法，現采用折線法進行分析。

對于干坡或全部浸于水中的邊坡穩定計算如圖。（過流標準10年一遇）

設坡上一土粒重為Q，其滑動力為Qsinα，抗滑力為Qcosαtgψ，則穩定安全系數為

對于坡比為1：2砂礫石料邊坡，α=26.5650 ，ψ=300

圍堰填筑材料穩定系數見表2。

對于部分浸水的邊坡滑動面，其計算方法有考慮和不考慮土塊間的作用力兩類，不考慮土塊間的作用力傳遞時，計算偏于安全，各土塊的抗滑力En和滑動力Ea的水平分力總和為

計算成果見表3，結果表明二期泄水閘圍堰邊坡穩定均滿足規范要求。

⑵ 填筑料選取

根據模型試驗，填筑二期圍堰戧堤時束窄過流斷面水流流速在1.19m/s～2.36m/s之間，戧堤填筑完畢后通過右側船閘與9孔泄水閘工程的明渠過流。綜合考慮棱體填筑的防沖指標，選取粗卵石及中漂石進行填筑較為安全。

各種水深情況下多種填筑材料允許抗沖流速見表4。

6、圍堰汛期高效施工

6.1 確定圍堰高噴參數

新干泄水閘上下游圍堰體高噴防滲墻上部為人工回填土料、砂礫料、卵石等混合料，下部基巖為紅色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖，高噴墻底部伸入基巖深度不低于0.5米。河道基巖地址條件較差，考慮河流施工期長時間沖刷，與截流拋填料粒徑影響，戧堤同時進占，戧堤布置于下游減少對高噴質量的影響，同時對高噴試驗參數進行提高，提升整體防滲墻施工質量。

6.2 汛期截流

泄水閘工程三枯圍堰施工重點是河床截流。

① 截流標準

三枯河道截流于2017年7月31日實施，截流流量為5年一遇7月下旬旬平均流量1750m3/s。相應水位為26.5m。

② 截流方式

二期圍堰由于截流前混凝土縱向圍堰已形成，左岸無施工道路至混凝土縱向圍堰，故只能從右岸單向進占，截流材料及戧堤進占材料均由右岸提供。截流采用上下游戧堤同時進占的截流方式，截流龍口設置在上游戧堤，從右岸（廠房縱向圍堰）向縱向混凝土圍堰推進，由于截流前左側砼縱向圍堰已經形成，截流后左岸9孔泄水閘工程過流，為避免截流時高速水流對左岸混凝土縱向圍堰底腳的淘刷，在左岸混凝土縱向圍堰上下游混凝土刺墻處按設計斷面各提前預進占20m，作為截流龍口的位置，以降低截流難度，做好堤頭裹頭塊石防護，下游戧堤略滯后上游圍堰戧堤，以降低水位落差，平衡龍口上下游水位。最后在上游由右岸進占立堵合龍。

截流水力學指標見表6

單寬功率=水體容重×龍口單寬流量×龍口水位落差

根據模型試驗成果，截留期最終截流落差為0.3m，最大平均流速2.36m/s。

④ 非龍口段進占

從2017年6月開始，先從左岸混凝土縱向圍堰刺墻預進占20m，堤頭采用塊石料進行保護，塊石料采用左岸泄水閘圍堰拆除料。同時在右岸從電站廠房上游全年圍堰沿二期圍堰戧堤軸線向左岸預進占110m至龍口，并做好防沖裹頭，下游戧堤跟進。

⑤ 龍口段拋石及預制砼六面體拋填

根據模型試驗成果，在設計截流標準下的龍口流速將達到1.15～2.36m/s，因此需在龍口部位用大塊石護底，根據水力學計算成果，塊石粒徑為30～50cm。為確保截流成功，通過預制60個單重7t的砼六面體在流速和水位落差較大的情況下拋填。每6個砼六面體串聯成整體后進行拋投，最初流速較大沖刷嚴重，最終經歷了6個小時的連續努力，圍堰成功截流。

6.3 實施情況

2017年7月21日二期泄水閘圍堰進占，2017年8月10日圍堰截流，2017年9月15日圍堰閉氣，2017年11月20日，圍堰加高培厚完畢，具備驗收條件。在7月贛江漲水的情況下，成功實現了汛期圍堰高效施工，樞紐二期泄水閘提前具備施工條件，圍堰進占至圍堰閉氣僅僅用了55天，船閘與左岸一期泄水閘閘壩提前蓄水抬高了上游庫區水位，保證了后續贛江通航。二期導截流搞工程施工技術的成功應用，泄水閘提前具備施工條件，相比原施工計劃提前13天進行泄水閘底板混凝土澆筑，目前已經完成二期13孔底板覆蓋，減少了工程度汛風險。對后續盡快恢復贛江生態、增加贛江流域水運能力、改善贛江兩岸居民生活環境，降耗節能，減少碳排放，優化社會產能結構，促進區域經濟發展均有積極意義。

7、結語

采用自潰式圍堰汛期填筑施工技術后，二期泄水閘混凝土澆筑較合同工期提前13天具備施工條件，預充水與增加充水口的方式屬于大流量洪峰來臨時的應急避險措施，規避了石虎塘船閘圍堰及株洲泄水閘圍堰當時因充水口斷面小或位置選擇不當等問題而導致圍堰潰決的風險。自潰式圍堰可以進一步優化圍堰結構，減少圍堰施工難度，適用于汛期快速施工。繼湖南土古塘自潰式圍堰后再一次成功應用，具有施工快，安全的特點，同時也帶來了良好的經濟效益和社會影響，為類似航電樞紐工程積累了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1]《水利水電工程施工組織設計規范》（SL303-2004）；

[2]《水電水利工程圍堰設計導則》（DL/T5087-1999）；

[3]《江西贛江新干航電樞紐工程施工導流、截流水工模型試驗研究》；

作者簡介：

劉昌宇，（1989.08—），男，湖北宜昌，助理工程師，現從事水利水電工程現場施工技術管理，東北農業大學08級水利水電工程專業。

肖偉明，（1982.10-），男，湖北宜昌，助理工程師，現從事水利水電工程現場施工技術管理，三峽大學水利水電工程02級水利水電工程專業