水電站河床導(dǎo)流明渠截流施工及預(yù)測試驗研究

鄧衛(wèi)軍

(韶關(guān)市第一建筑工程有限公司，廣東 韶關(guān) 512000)

截流工程是大型水利樞紐建設(shè)的主要工程。水工模型試驗研究具有重要意義。例如，葛洲壩水電站在截流前進(jìn)行了近10年的模型試驗。然而，由于影響因素較多，實際截流條件與模型試驗存在很大差異，試驗結(jié)果不能很好地反映實際情況。因此，有必要應(yīng)用實時跟蹤預(yù)測試驗，為保證合龍工作的成功提供指導(dǎo)。某工程其建設(shè)期可分為三個階段。在整個過程中，長江截流分兩次進(jìn)行，即第二階段截流切割主河床(主截流)和第三階段截流封堵引水渠道。

1 某工程截流工程概況

1.1 二期截流工程

主河截流計劃于1997年11月底至12月初進(jìn)行；截流流量為相應(yīng)10 d的5%，最大平均日流量為9010～14 000 m3/s。設(shè)計采用上游堤防為兩個方向的單堤垂直截流。

主要河流截流的困難有：①截流流量和截流量很大。②截流河流非常深，最大深度為60 m。試驗發(fā)現(xiàn)，在填筑過程中，堤頭嚴(yán)重坍塌，危及工人和設(shè)備的安全。最后，鋪墊層被臨時填滿了 40 m(水深減至27 m左右)，大大減少了堤頭坍塌；在關(guān)閉過程中應(yīng)保證正常導(dǎo)航。

1.2 第三階段明渠截流工程

為了為后續(xù)碾壓混凝土圍堰施工提供充足的時間，2002年11月底決定了第三階段的明渠截流，截流流量為10 300 m3/s。

第三階段明渠關(guān)閉的技術(shù)難點是：考慮到截流流量非常大(9010～12 200 m3/s)，截流落差為3.26～5.79 m，閉合間隙水力指標(biāo)非常高。為降低填筑和合攏難度，采用上游與下游同時填筑(上游共同承擔(dān)大部分責(zé)任)的方法，共同承擔(dān)閉合落差應(yīng)力[1]。導(dǎo)流明渠是一條人工河流，基底光滑(一些次生材料河床保護(hù))，不利于傾倒材料的穩(wěn)定性。在充填和封閉過程中，傾倒材料被大量浪費(fèi)。模型試驗中采用了幾種工程措施以減少浪費(fèi)。經(jīng)比較，采用了在上下游堤防封閉區(qū)設(shè)置鋼骨架石籠和合金鋼網(wǎng)石袋的擋石坎方案。左岸是一座孤島；準(zhǔn)備材料不夠。因此主要依靠右岸傾銷。在關(guān)閉過程中應(yīng)保證導(dǎo)航。截至2002年11月1日，施工明渠一直是主要的施工航道。

2 截流工程施工設(shè)計與預(yù)測試驗

2.1 技術(shù)常規(guī)、技術(shù)手段和預(yù)測方法

應(yīng)用重力相似理論進(jìn)行某工程截流預(yù)測試驗。主要做了以下工作：根據(jù)施工現(xiàn)場各影響因素的動態(tài)變化，對模型試驗主因子進(jìn)行修正，在進(jìn)行模型試驗時可以通過水文預(yù)報以及截流施工方案來對試驗條件進(jìn)行及時調(diào)整。在后續(xù)的施工過程中，預(yù)覽水力條件和潛在影響及其程度，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來與施工現(xiàn)場進(jìn)行實時的檢測數(shù)據(jù)傳輸，以便現(xiàn)場指揮部作出科學(xué)有效的判斷。

在閉合跟蹤測試中，為了提高測試精度和滿足實時性要求，除了采用一些常規(guī)設(shè)備外，還采用了一些現(xiàn)代測試方法，實現(xiàn)了集中控制、分布式采集、自動處理和實時傳輸。

建立了兩種基本的預(yù)測方法來進(jìn)行試驗：①在前期準(zhǔn)備階段或者施工初期在有充足時間的前提下，可以提前進(jìn)行一些基本試驗；在此基礎(chǔ)上，可以繪制一系列圖表；通過插值法來預(yù)測施工現(xiàn)場的情況。②在工程實施的過程中，可以通過建立現(xiàn)場模型來進(jìn)行實時預(yù)測。在這過程中需要充分結(jié)合現(xiàn)場的實際情況、水文條件以及施工要求的各方面因素來進(jìn)行。

2.2 二期截流跟蹤預(yù)測試驗研究

2.2.1 跟蹤預(yù)測的基礎(chǔ)研究

引水渠于1997年5月1日完工。初期流量較小，形成了大規(guī)模的泥沙淤積，導(dǎo)致輸水?dāng)嗝婷娣e比設(shè)計斷面最大減少40%。如果沉積物不能及時清除，將大大提高閉合縫的水力指標(biāo)。由于截流速度很快，明渠中的沉積非常復(fù)雜，并且是一個動態(tài)過程，因此很難通過現(xiàn)場實時采樣進(jìn)行跟蹤預(yù)測試驗，并通過移動床模型模擬動態(tài)沉積掃掠過程。

在上述分析的基礎(chǔ)上，將動態(tài)連續(xù)沉積掃掠過程劃分為幾個不同高程的移動床界面，在每個界面上測試了閉合間隙閉合過程中閉合水力參數(shù)(如閉合間隙、截流流量、流速最大值等)的變化，并建立了各參數(shù)的對應(yīng)圖表(如圖1所示)。

圖1 導(dǎo)流明渠沖淤過程概化圖

研究了下游水位上升0.5 m緊急措施下的截流縫水力指標(biāo)。結(jié)果表明：明渠分流比變化不大；閉合落差減小約0.1 m。雖然有一定的效果，但會影響葛洲壩水電站的正常運(yùn)行；因此，是否應(yīng)用它應(yīng)該認(rèn)真考慮。

2.2.2 實時跟蹤預(yù)測測試

根據(jù)圖2，截流期間，模型試驗密切跟蹤現(xiàn)場施工，并進(jìn)行了相應(yīng)的跟蹤預(yù)測試驗。主要成就有：

(1)開放渠道對關(guān)閉困難的影響仍然是主要關(guān)注的問題。雖然隨著截流間隙的增大，明渠導(dǎo)流流量增大，流速增大，對水庫有一定的沖刷作用；雖然上堤口狹窄至130 m，但明渠的實際輸水?dāng)嗝鎯H為設(shè)計斷面的62%～83%。因此，對截流流量為9010～19 400 m3/s時的截流間隙水力條件進(jìn)行了一些試驗。結(jié)果表明：截流流量為9010～12 500 m3/s時，截流落差為0.70～1.20 m，堤頭最大流速為3.3～4.4 m/s，截流工程是可行的；截流流量為19 400 m3/s時，截流落差為2.29 m，堤頭最大流速達(dá)6.09 m/s，截流工作不可行。

(2)第一階段縱向圍堰封頭拆除設(shè)計要求開挖至60.0 m，而實際開挖至70.0 m。余流影響明渠出口水流狀態(tài)，降低其導(dǎo)流能力。試驗中Q=14 300 m3/s時，明渠導(dǎo)流能力降低20%。因此，業(yè)主決定盡快拆除剩余的圍堰。

(3)通過對跟蹤模擬試驗結(jié)果、水文預(yù)報以及航行因素等綜合分析，選擇分兩個階段進(jìn)行間隙合并的方式。第一階段是10月26日，當(dāng)時截流缺口為130.0 m，到缺口填滿時為40.0 m，不僅能保證通航，而且有利于明渠沉積物的清掃。對于第二階段，通過可靠的短期水文預(yù)測，確定了閉合40.0 m閉合間隙的合適時間。決定在11月初進(jìn)行。

截流缺口填筑和截流過程中的水文原型觀測數(shù)據(jù)表明：截流實際流量為11 600～8480 m3/s。10月26日，截流缺口為130.0 m時，明渠分流率為57.1%；10月27日，差距縮小至40.0 m時，該比率為84.5%；在11月8日正式關(guān)閉之前，該比率高達(dá)94.2%。實踐證明，明渠沖淤能力良好，為最終關(guān)閉提供了有利條件[2]。

2.3 三級明渠截流跟蹤預(yù)測試驗研究

2.3.1 降低關(guān)閉風(fēng)險的項目計劃研究

關(guān)閉總部計劃在11月初關(guān)閉。根據(jù)水文資料，截流能力比設(shè)計截流能力高10 300 m3/s[3]；因此，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場施工邊界條件，提供計劃施工方案。

(1)當(dāng)截流能力超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到10 700～12 200 m3/s時，采用雙堤分擔(dān)截流落差應(yīng)力，最終落差為4.31～5.79 m，上下游最大流速分別為7.34 m/s和6.20 m/s。通過在截流縫中設(shè)置擋巖坎可以實現(xiàn)截流。擋土墻從120 m延長到132 m，這將大大減少損失。

(2)試驗表明：在堤防填筑和關(guān)閉過程中，對于上游圍堰，巖碴壩應(yīng)滯后于堤壩填筑40 m，風(fēng)化砂壩應(yīng)滯后于堤壩填筑55 m；對于下游圍堰，石渣路堤應(yīng)滯后于堤壩填筑50～60 m，風(fēng)化砂路堤應(yīng)滯后于堤壩填筑25 m。

(3)在采用雙堤分擔(dān)落差的截流方式時，上下游堤防及其入口寬度的協(xié)調(diào)性非常顯著。在截流能力為10 300～12 200 m3/s時進(jìn)行了大量試驗，為業(yè)主和施工單位繪制了豐富的關(guān)系圖。

(4)為了減小關(guān)閉間隙時下游填筑施工的張力，將間隙寬度從150 m縮小到125 m。雖然水力指標(biāo)有所提高，但巖石擋土墻仍保持良好狀態(tài)。

(5)試驗發(fā)現(xiàn)，上游堤防填筑長度對明渠水流狀態(tài)影響很大。過長時，下游堤壩的落差荷載顯著增加，不利于堤頭穩(wěn)定和擋巖坎。因此，上游堤壩填筑長度以10 m為宜。

(6)在封閉困難地段，傾倒20 t普通容重(2.40 t/m3)混凝土四面體會造成一定損失。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，如果提高混凝土容重(3.25～3.44 t/m3)，其穩(wěn)定性將顯著增強(qiáng)。因此，建議采用一些大體積重量混凝土四面體。

2.3.2 實時跟蹤預(yù)測測試

在某明渠正式關(guān)閉期間，通過整合水文數(shù)據(jù)進(jìn)行了現(xiàn)場和實時跟蹤，提供了以下貢獻(xiàn)：

(1)起初，由于實際圍堰拆除面積不符合設(shè)計要求，模型試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)截流能力為10 300～12 200 m3/s時，最終落差將增加0.14～0.25 m。

(2)對于施工單位提出的上游截流缺口石碴水平傾倒至60 m，先填筑左上游堤壩30 m的方案，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，明渠內(nèi)水流狀況較差，左上游堤頭沖刷嚴(yán)重，擋巖坎穩(wěn)定性也受到影響。業(yè)主接受了不采用此類施工計劃的建議。

(3)為了降低下游堤防截流過程中的施工強(qiáng)度和傾倒材料損失，施工單位計劃對截流缺口進(jìn)行墊層處理。試驗證明：該方案不會增加施工難度，因為明渠水流穩(wěn)定，傾倒材料和擋巖坎的穩(wěn)定性良好。該方案已應(yīng)用于實際施工中。

(4)開放頻道定于11月6日關(guān)閉。根據(jù)水文資料，當(dāng)日壩址流量為11 000 m3/s，大于設(shè)計流量10 300 m3/s[4]。因此，在這種情況下，對上下游堤防的填筑口協(xié)調(diào)、堤頭水力指標(biāo)和截流間隙進(jìn)行了一些前瞻性的研究和預(yù)測。2002年11月6日，長江的流量為8600 m3/s，在施工人員的努力下，上游和下游的閉合間隙最終分別于09：48和09：55 閉合。某工程明渠截流最終成功。

3 結(jié) 論

(1)在設(shè)計階段，通常會通過詳細(xì)的截流工程演示設(shè)計來對水利樞紐的截流工程進(jìn)行演示，但是在實際的施工過程中，往往會受到邊界條件、水文地質(zhì)條件以及施工進(jìn)度等各方面的動態(tài)因素的影響，導(dǎo)致實際截流水力條件與設(shè)計截流水力條件之間存在一定的差異，對截流工程的實施以及順利完成都帶來了一定的影響。某工程在實施截流的過程中通過選擇水工模型跟蹤試驗的方式來實時的為截流工作提供較為豐富的數(shù)據(jù)信息，通過這些數(shù)據(jù)信息現(xiàn)場合攏指揮部可以做出及時有效且較為科學(xué)的指揮，保證了合攏工作的順利完成。

(2)考慮到截流工作的補(bǔ)充期通常較短，水工模型試驗需要一定的時間；為了充分利用有限的時間，模型跟蹤測試通常分為兩個階段。第一個是在準(zhǔn)備截流和計劃堤壩填筑時。在此期間，截流邊界條件、水文預(yù)報和施工方案已初步確定。在已知條件的基礎(chǔ)上，分析了潛在的困難，進(jìn)行了一些基礎(chǔ)研究，形成了一系列圖表，以供將來參考。第二階段是關(guān)閉階段。結(jié)合水文資料，通過水工模型試驗跟蹤原型施工全過程；實時跟蹤澆筑過程中的水力參數(shù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)將所有測試結(jié)果及時反饋給業(yè)主單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位和施工單位。