變流量條件下枕頭壩二級(jí)水電站縱向圍堰施工研究

摘要：為解決變流量高速水流條件下枕頭壩二級(jí)水電站一期縱向圍堰施工的難題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，主要對(duì)水下填筑進(jìn)占、防沖六面體護(hù)坡施工等方面進(jìn)行了研究，提出了變流量高速水流區(qū)縱向圍堰施工方法。該技術(shù)有效解決了變流量縱向圍堰施工的難題，為成功實(shí)現(xiàn)枕頭壩二級(jí)水電站安全度汛及蓄水發(fā)電目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：變流量; 大流速; 縱向圍堰; 施工技術(shù); 枕頭壩水電站; 大渡河流域

中圖法分類號(hào)：TV551 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.011

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）S1 - 0035 - 05

1 工程概況

枕頭壩水電站為大渡河干流水電梯級(jí)調(diào)整規(guī)劃的第十九個(gè)梯級(jí)，位于四川省樂山市金口河區(qū)。枕頭壩二級(jí)水電站工程為枕頭壩河段兩級(jí)堤壩式開發(fā)的第二級(jí)，其上一級(jí)為已完工的枕頭壩一級(jí)水電站，下一級(jí)為沙坪一級(jí)水電站。該電站為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大（2）型，采用堤壩式開發(fā)，樞紐主要由左岸非溢流壩段、泄洪閘壩段、河床廠房壩段以及右岸非溢流壩段組成，最大壩高54 m。正常蓄水位為592.0 m，死水位為589.0 m，正常蓄水位以下庫(kù)容為0.112億m³，水庫(kù)總庫(kù)容為0.122億m³，電站與上游梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行。枕頭壩二級(jí)水電站裝機(jī)容量300 MW，多年平均發(fā)電量15.03億kW·h，電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧庫(kù)區(qū)供水和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

該工程左岸一期縱向圍堰（圖1）采用土石圍堰，圍堰頂高程上游端為589.0 m，下游端為587.0 m，長(zhǎng)約632.70 m，頂寬8.0 m;通過預(yù)留的土坎+土石填筑加高擋水，堰體及基礎(chǔ)采用混凝土防滲墻防滲;混凝土防滲墻厚度1 m，伸入基巖1 m。背水側(cè)填筑坡比1∶1.5、開挖坡比1∶1.8，河床側(cè)填筑部分坡比為1∶1.5;枯水位以下采用混凝土六面體防護(hù)作為抗沖刷措施，枯水位以上采用鋼筋石籠防護(hù)。

1.1 水文條件

大渡河流域自20世紀(jì)60年代起修建的大中型水電站主要有干流上的龔嘴電站、銅街子電站，以及支流南椏河上的二、三級(jí)電站。這些電站僅具有日調(diào)節(jié)性能，且南椏河徑流量小，對(duì)大渡河干流影響甚微。近期干流上已經(jīng)建成的電站有瀑布溝水電站、深溪溝水電站、枕頭壩一級(jí)水電站、沙坪二級(jí)水電站。瀑布溝電站裝機(jī)容量3 600 MW，正常蓄水位以下庫(kù)容50.64億m³，調(diào)節(jié)庫(kù)容38.8億m³，為季調(diào)節(jié)水庫(kù);深溪溝電站裝機(jī)容量660 MW，正常蓄水位以下庫(kù)容3 227萬(wàn)m³;枕頭壩一級(jí)電站裝機(jī)容量720 MW，正常蓄水位以下庫(kù)容4 350萬(wàn)m³;沙坪二級(jí)電站裝機(jī)容量348 MW，正常蓄水位以下庫(kù)容2 084萬(wàn)m³。

枕頭壩二級(jí)水電站壩址位于瀘定-銅街子段的大渡河中游金口河鎮(zhèn)附近，流域面積73 197 km2，河道平均坡降為1.8‰;距離上游毛頭碼水文站36.3 km。

1.1.1 徑 流

枕頭壩二級(jí)壩址月徑流根據(jù)毛頭碼、沙坪站月徑流，按面積關(guān)系內(nèi)插計(jì)算得到枕頭壩二級(jí)壩址多年平均年均流量為1 360 m3/s。壩址多年平均流量成果見表1。

1.1.2 洪 水

考慮瀑布溝電站供水期可能出現(xiàn)4臺(tái)機(jī)組滿發(fā)的情況，由最大引用流量2 610 m3/s再加上受開建橋隧洞引水后的區(qū)間分期洪水，即可求出各時(shí)段受上游電站影響的枕頭壩二級(jí)電站最大分期洪水，其中6～9月主汛期取受瀑布溝影響后的全年最大設(shè)計(jì)洪水成果見表2。

1.1.3 枕頭壩一級(jí)出庫(kù)流量

枕頭壩一級(jí)電站單機(jī)發(fā)電流量687 m³/s，電站4臺(tái)180 MW機(jī)組，裝機(jī)容量720 MW，受電網(wǎng)調(diào)控影響，枕頭壩一級(jí)出庫(kù)流量一般在600～2 800 m³/s之間作M型波動(dòng)，每小時(shí)流量會(huì)發(fā)生較大變化（多數(shù)在1 000 m³/s以下），施工期實(shí)際最大出庫(kù)流量發(fā)生在2021年11月22日10：56，出庫(kù)流量2 690 m³/s，如圖2所示。

1.2 圍堰地形地質(zhì)條件

枕頭壩二級(jí)水電站一期縱向土石圍堰位于壩址右側(cè)河水邊，地面高程570～584 m，河水深0～7 m。沿線覆蓋層深厚，為第四系河流沖積含漂石砂卵礫石。根據(jù)ZKx-14、ZKx-32等鉆孔查明，圍堰基礎(chǔ)分布的含漂石砂卵礫石層厚32.0～40.8 m，除圍堰下游端覆蓋層較淺外，一般都在36.0 m以上;含漂石砂卵礫石層土體結(jié)構(gòu)除淺表層為松散-稍密外，一般呈中密-密實(shí)狀態(tài)。下伏基巖為峨邊群之茨竹坪組粉砂巖及粉砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖及炭質(zhì)板巖，巖體多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，呈弱-微風(fēng)化狀態(tài)，巖層陡傾、近直立。

2 圍堰施工難點(diǎn)和特點(diǎn)

（1） 枕頭壩二級(jí)水電站工程上游距離枕頭壩一級(jí)水電站4.1 km，主河床施工流量主要受已完工的枕頭壩一級(jí)水電站出庫(kù)流量及電網(wǎng)調(diào)控影響，圍堰水下填筑施工期間，一級(jí)電站出庫(kù)流量在600～2 800 m³/s之間波動(dòng)，流量變化范圍大、時(shí)間短。

（2） 受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況限制，原圍堰填筑料源從左岸基坑水上開挖回填。實(shí)際施工過程中，受料源限制，圍堰填筑料源來(lái)源分散且無(wú)法保證填筑施工強(qiáng)度。

（3） 圍堰受右岸防護(hù)和河道清理制約，河床過流面最大寬度不足85 m，且河道疏浚與圍堰填筑相互交叉施工，增加了圍堰水下填筑施工難度。

（4） 受上游出庫(kù)流量M型變幅影響，且圍堰填筑料源粒徑偏小，基本在300 mm以下，低流量條件下需優(yōu)先施工護(hù)坡防沖六面體，或者需保證護(hù)坡防沖六面體與圍堰填筑料同步施工。高流速段護(hù)坡六面體施工強(qiáng)度與圍堰填筑強(qiáng)度匹配是保證水下填筑進(jìn)占穩(wěn)定的關(guān)鍵。

（5）縱向圍堰防滲墻工程量較大（2.4萬(wàn)m²），工期緊，防滲墻能否按時(shí)完成施工是該工程施工重點(diǎn)。

3 施工布置

3.1 施工道路布置

枕頭壩二級(jí)水電站工程道路主要依托左岸G245國(guó)道與外界聯(lián)系，受征地影響，左側(cè)基坑填筑施工時(shí)僅圍堰0+390下游側(cè)完成拆遷;結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，圍堰填筑在沿河側(cè)新增一條填筑道路，道路最小寬度9.0 m，高程581.5 m。隨著征地的進(jìn)展，利用沿河側(cè)新增填筑道路以及圍堰樁號(hào)0+365～0+390主干道進(jìn)行填筑施工，同時(shí)以下游側(cè)增設(shè)的填筑施工臨時(shí)道路作為圍堰施工備用通道;在場(chǎng)地內(nèi)，修建臨時(shí)施工道路時(shí)均通過主干道與G245國(guó)道連接，臨時(shí)道路隨取料和填筑進(jìn)度不斷調(diào)整，施工道路均按照不大于10%的坡度控制，如圖3所示。

3.2 防沖六面體備料場(chǎng)地

施工場(chǎng)地主要布置在左岸基坑，在上游機(jī)電金結(jié)拼裝廠以及永久拌和站場(chǎng)地內(nèi)。設(shè)計(jì)混凝土六面體Ⅰ用量1 561 m³，塊體尺寸1.0 m×1.0 m×1.5 m（長(zhǎng)×寬×高）;混凝土六面體Ⅱ用量13 533 m³，粒徑650 mm以上。實(shí)際施工中，考慮水下護(hù)坡厚度設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)護(hù)坡厚度1.5 m），混凝土六面體統(tǒng)一按照混凝土六面體I的1.0 m×1.0 m×1.5 m施工，混凝土六面體拌和通過2臺(tái)3 m³自上料混凝土攪拌車，每臺(tái)自上料混凝土攪拌車施工強(qiáng)度8 m³/h。場(chǎng)地面積約6 000 m²，一次預(yù)制成型存量約600塊。

3.3 施工用風(fēng)水電

圍堰截流填筑施工用水主要為現(xiàn)場(chǎng)施工灑水、道路降塵以及防滲施工用水等。因此，現(xiàn)場(chǎng)布置1個(gè)10 m3可移動(dòng)水箱，用水從大渡河直接抽取;若大渡河河水較為渾濁而無(wú)法使用時(shí)，采用1臺(tái)灑水車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)并儲(chǔ)存在水箱里使用。采用1臺(tái)灑水車進(jìn)行道路灑水降塵。施工用風(fēng)較少，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)只需布置兩臺(tái)移動(dòng)式空壓機(jī)。施工用電主要為澆筑混凝土用電，因用電負(fù)荷小，主要利用當(dāng)?shù)鼐用褚鸭茉O(shè)線路施工。

3.4 料源規(guī)劃

防滲平臺(tái)圍堰填筑總方量18.31萬(wàn)m³，主要來(lái)源為河道疏浚標(biāo)開挖料、左岸基坑水上部分（7.6 萬(wàn)m³）、拌和站場(chǎng)平開挖料（3.1萬(wàn)m³）以及外購(gòu)料組成。具體規(guī)劃為：① 土石圍堰填筑料工程量112 317 m³，粒徑300 mm以下，主要從左岸基坑水面以上開挖進(jìn)行儲(chǔ)備;② 戧提料Ⅰ工程量46 330 m³，粒徑在100～300 mm，主要通過左岸拌和站場(chǎng)平開挖物料、從左岸基坑開挖料中選取和從河道清理標(biāo)開挖物料中篩選，并在左岸空地位置堆存;③ 戧提料Ⅱ工程量10 302 m³，粒徑在340～500 mm間，主要通過左岸拌和站場(chǎng)平開挖物料、從左岸基坑開挖料中選取、和從河道清理標(biāo)開挖物料中篩選，并在左岸空地位置堆存（與其他填筑料分開）;④ 過渡料工程量12 200 m³，粒徑在100～300 mm間，主要從左岸基坑開挖料中選取和從河道清理標(biāo)開挖物料中篩選，并在左岸空地位置堆存（與其他填筑料分開）。

4 圍堰施工

施工時(shí)從上游向下游進(jìn)行填筑施工（縱向圍堰最后一個(gè)轉(zhuǎn)彎段填筑完成后，采取左右兩側(cè)同時(shí)進(jìn)占填筑的方式合攏）。沿高度按水面以下、水面至防滲平臺(tái)以及防滲平臺(tái)以上方向施工。

4.1 整體填筑工序

圍堰填筑主要從上游圍堰開始向下游圍堰填筑，下游合攏段采用兩側(cè)同時(shí)進(jìn)占的方式施工。圍堰填筑施工采取分段流水施工，即現(xiàn)場(chǎng)圍堰填筑完成一段便進(jìn)行該段防滲施工。

4.1.1 圍堰填筑施工程序

一期縱向圍堰施工總體程序?yàn)椋核氯珨嗝鎾佂叮ㄍ瑫r(shí)進(jìn)行混凝土六面體拋投）→防滲平臺(tái)填筑完成→防滲墻施工→混凝土蓋重施工→防滲平臺(tái)以上填筑（同時(shí)進(jìn)行鋼筋石籠安裝），如圖4所示。

4.1.2 水下堰體填筑

水下堰體填筑采用從上游至下游全斷面拋投的順序施工。在水下堰體填筑過程中，時(shí)刻關(guān)注河水流速變化及迎水面填料的穩(wěn)定情況。圍堰施工技術(shù)要求為：迎水面流速在3 m/s以下，坡面及坡腳防護(hù)可采用一般石渣防護(hù);流速在4～5 m/s時(shí)，采取拋投混凝土塊體或大塊石防沖保護(hù);流速在5～7 m/s時(shí)，可采用成串混凝土塊或鋼筋籠保護(hù)。實(shí)際施工過程中，因上游段開始樁號(hào)為0+60，填筑首先按照原施工方案進(jìn)行了基坑開采的河灘料全斷面拋投，遇變幅水流后，水下堰體沖刷嚴(yán)重，后期除部分流速較小位置采用基坑河灘料全斷面拋投、護(hù)坡六面體滯后1～2 d跟進(jìn)外（出庫(kù)流量在1 800 m³/s以下），其余大部分均采用護(hù)坡六面體跟進(jìn)同步施工的方法，尤其是上下游轉(zhuǎn)彎段0+89～0+159和0+490～0+550段。水下堰體填筑施工水力學(xué)條件基本與模型試驗(yàn)結(jié)果相近，高流速段位置基本與設(shè)計(jì)參數(shù)吻合;設(shè)計(jì)防沖流速1.83～7.12 m/s，實(shí)際施工最大流速出現(xiàn)在上下游段轉(zhuǎn)彎處，上游段流速略大于下游段流速;受右岸防護(hù)施工影響，最大流速發(fā)生在下游轉(zhuǎn)彎處。

圍堰水下填筑采用1.6 m3以上反鏟分別從備料場(chǎng)和左岸基坑水上部位挖取土石圍堰填筑料，然后采用25 t自卸汽車沿圍堰軸線位置進(jìn)行拋投。

4.1.3 水面至防滲平臺(tái)填筑

水下堰體填筑完成后繼續(xù)采用1.6 m³以上反鏟從左岸水上基坑（或自購(gòu)填筑料點(diǎn)）挖取土石圍堰填筑料進(jìn)行防滲平臺(tái)至水面填筑。圍堰填筑料采用25 t自卸汽車運(yùn)輸?shù)絿咂脚_(tái)后，采用ZL50C裝載機(jī)進(jìn)行填筑料攤鋪，填筑料攤鋪完成后采用26 t振動(dòng)碾進(jìn)行填筑碾壓。

4.1.4 混凝土六面體護(hù)坡

設(shè)計(jì)的C20混凝土六面體分別為混凝土六面體Ⅰ和混凝土六面體Ⅱ兩種規(guī)格。其中，混凝土六面體Ⅰ要求邊長(zhǎng)1.0 m以上，混凝土六面體Ⅱ粒徑650 mm以上;要求護(hù)坡面厚度為1.5 m。為方便施工、便于質(zhì)量控制護(hù)坡，六面體統(tǒng)一按1 m×1 m×1.5 m進(jìn)行預(yù)制;預(yù)制采用2臺(tái)3 m3混凝土自上料攪拌車進(jìn)行，在拋投前3 d預(yù)制完成（如氣溫過低，以5 d為宜）。預(yù)制好的預(yù)制塊統(tǒng)一堆放在指定位置。

4.1.5 混凝土六面體拋投

混凝土六面體采用25 t汽車吊吊裝至25 t自卸車內(nèi)（每車約裝7塊），然后運(yùn)至填筑現(xiàn)場(chǎng)。采用2.0 m3反鏟卸車，卸車后由2.0 m3反鏟將混凝土六面體拋投至水里。主要在低流量時(shí)拋投，同時(shí)反鏟逐個(gè)推送進(jìn)行堰腳護(hù)底;護(hù)底按照不小于5 m控制。六面體露出水面后，25 t吊車吊裝混凝土塊沿圍堰坡面布置，然后采用反鏟將混凝土塊擺放整齊。預(yù)制塊單個(gè)重量約3.5 t。根據(jù)伊茲巴什公式計(jì)算、復(fù)核水下填筑過程中六面體護(hù)坡的穩(wěn)定性及當(dāng)量直徑。拋石塊徑計(jì)算公式為

式中：d為塊石換算為球體的當(dāng)量直徑，m;g為重力加速度，9.8 m/s²;γs，γ分別為塊石密度和水密度，t/m³;v為計(jì)算流速，m/s;K為穩(wěn)定系數(shù)，取0.9。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

在實(shí)際拋投施工過程中，已施工的六面體預(yù)制塊能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要;對(duì)于個(gè)別基礎(chǔ)沖刷嚴(yán)重的部位，其護(hù)底存在局部流失，在流量降低后，進(jìn)行了護(hù)坡六面體修復(fù)。

5 圍堰填筑施工總體評(píng)價(jià)

枕頭壩二級(jí)水電站一期縱向圍堰填筑量18.31萬(wàn)m³，受料源以及施工場(chǎng)地征遷影響，于2021年11月中下旬正式開始水下填筑施工。根據(jù)調(diào)整的進(jìn)度計(jì)劃，應(yīng)于2022年1月31日完成，實(shí)際于2022年1月20日上午圍堰合龍;最大日填筑強(qiáng)度7 000 m³。在克服了移民拆遷、料源不足、城區(qū)運(yùn)輸條件復(fù)雜等各種不利因素后成功合龍，并提前10 d完成該工程首個(gè)節(jié)點(diǎn)目標(biāo)。在實(shí)際施工過程中，研究了防沖體跟進(jìn)、滯后施工、降低水下填筑高度等縱向圍堰施工方法。從圍堰合龍截止至今，一期縱向圍堰經(jīng)過大流量高速水流沖刷，自填筑完工以來(lái)，運(yùn)行良好，確保了2022年電站的安全度汛，為防滲墻施工和圍堰度汛提供了有力的保障，并為實(shí)現(xiàn)枕頭壩二級(jí)水電站安全度汛及蓄水發(fā)電目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6 結(jié) 語(yǔ)

枕頭壩二級(jí)水電站一期縱向圍堰變流量水位下的施工主要采用混凝土六面體預(yù)制塊超前或同步進(jìn)占的方式進(jìn)行，在防沖混凝土預(yù)制塊未跟進(jìn)堰體填筑前，優(yōu)先進(jìn)行堰體的加寬、加高處理，以確保水下堰體填筑防沖六面體按照設(shè)計(jì)要求防護(hù)到位;同時(shí)，對(duì)照同期施工同類壩型的下游沙坪一級(jí)水電站四面體防護(hù)縱向圍堰，同樣需要防沖體優(yōu)先或同步跟進(jìn)，否則無(wú)法保證水下堰體的穩(wěn)定性。在遇變幅流量，特別是料源不理想的情況下，料源流失接近60%～80%，經(jīng)過施工現(xiàn)場(chǎng)參建四方會(huì)議協(xié)商以及多次技術(shù)討論，一致認(rèn)為縱向圍堰水下填筑的進(jìn)占受護(hù)坡施工進(jìn)度影響，在護(hù)坡施工未及時(shí)跟進(jìn)的情況下，不能盲目進(jìn)行水下填筑進(jìn)占;同時(shí)經(jīng)兩個(gè)電站對(duì)比施工發(fā)現(xiàn)，六面體防沖較四面體施工更快、更便于碼放，但存在不容易拋投的缺點(diǎn)。徑過現(xiàn)場(chǎng)不斷摸索、研究與實(shí)踐認(rèn)為，變幅流量下縱向圍堰防沖體設(shè)計(jì)和施工是圍堰施工的關(guān)鍵，對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和料源流失影響較大。

該工程大變幅流量縱向圍堰水下填筑的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后類似工程的土石圍堰的設(shè)計(jì)和施工有一定參考和指導(dǎo)作用。同時(shí)，建議類似工程可采用四面體、六面體組合防沖體施工：坡腳采用四面體拋投，上部采用六面體防沖的形式作為變幅流量縱向圍堰的設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。

（編輯：高小雲(yún)）