桐子林水电站工程二期截流施工
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作者: 王建军
【摘 要】 桐子林水电站采用分二段三期进行施工的导流方式，二期大江截流无论是截流流量、龙口流速、水位差及抛投强度均较高，是雅砻江流域中流量最大的一次截流。本文对截流方案设计、现场组织准备及实施过程等方面进行了阐述，为类似条件下的大江截流积累了经验。
【关键词】 桐子林水电站 二期截流 方案设计 施工
1 工程概况
桐子林水电站位于四川省攀枝花市盐边县境内的雅砻江干流上，是雅砻江干流下游最末一级梯级电站，由重力式挡水坝段、河床式电站厂房坝段、泄洪闸（7孔）坝段等建筑物组成，最大坝高69.5m，电站总装机为600MW，水库正常蓄水位为1015.00m，总库容0.912亿m3，水库具有日调节性能。工程属二等大（2）型工程，永久性主要建筑物按2级建筑物设计，次要建筑物按3级设计。
1.1 工程地质地形条件
1.1.1 地质条件
上游围堰河床段覆盖层厚20～30m，最大厚度约35m。河床覆盖层分为三层，上、下层为砂卵砾石层，中部为隔水的桐子林组粉砂质粘土层，粉砂质粘土层基本铺满整个河床，于河床右侧直接与基岩接触，一般厚10～28m，其含水及透水性弱，属相对隔水层，当钻孔揭穿该层底部时，有地下承压水冒出现象，初始水头高出河水位一般为3.4～5.95m，承压水头随时间推移逐渐与河水位一致。基岩为混合岩，为弱透水（Lu=1～10），其中右侧挤压蚀变带浅表部岩体为弱透水（Lu=1～10），以下岩体为微透水（Lu<1）。
下游围堰河床段左侧覆盖层较薄，为砂卵砾石层，厚6～9m；右侧覆盖层厚25～36m，上、下两层为砂卵砾石层，中部为隔水的桐子林组粉砂质粘土层。F1断层从右岸岸边向下游斜穿河床，断层左侧为条痕状混合岩，右侧为中～薄层状砂页岩夹砂岩。混合岩Ⅳ级岩体、砂页岩Ⅳ级岩体为中等透水岩体（Lu=10～30），混合岩Ⅲ级岩体为弱透水岩体（Lu=1～10）。
1.1.2 地形条件
坝址区位于桐子林大桥下游约700m，该段河道顺直、河谷开阔，为一不对称的“U”型谷，枯水位986～987m时，水面宽80～100m，正常蓄水位1015m时，谷宽约373m。右岸有一宽100m，长约350m的漫滩分布。两岸山体高出河水面200～300m，右岸谷坡平均坡度35°～40°，有3条冲沟切割，Ⅰ、Ⅱ级阶地零星分布；左岸除上下游有零星的Ⅰ、Ⅱ级阶地和较连续的崩坡积分布外，坝肩部位为长约500m的基岩临江凸岸，其上由昔格达组地层组成的Ⅲ、Ⅳ级阶地保存较完整，形成下部较陡，上部舒缓的阶状地形。由于左右岸改线公路及导流明渠施工，两岸地形地貌已被人为改变。
2011年9月9～12日完成了上、下游围堰及明渠进出口水下地形测量工作。测量成果表明，原河床左岸深槽部位冲刷明显，实际地形比原地形平均深4～5m，右岸河床冲刷相对较小。初步分析认为，由于导流明渠施工时缩窄原河床过流面，水流受明渠纵向围堰的顶托作用，偏向左岸，导致了左岸河床冲刷加深。明渠进口靠岸坡侧局部有残留岩埂，其余部位基本与明渠底板平滑连接；明渠出口大部分有残留岩埂，平均高度约2米。
1.2 水文气象
桐子林电站控制集水面积127624km2，多年年平均流量为1920m3/s，每年6月至10月为丰水期，径流主要由降水补给，水量占全年的77%，12月～次年4月为枯水期，此期以地下水补给为主，水量占全年的13.1%。最大年平均、最小年平均流量分别为2830m3/s、1410m3/s，分别为多年平均值的1.47倍和0.73倍。
雅砻江洪水由暴雨形成，洪水季节变化与暴雨一致，主汛期为6～9月，年最大流量多出现在8月（占全年的33.3%），其次出现在7月（占全年的31.6%）。
根据二滩水库各分期最大下泄流量与湾滩站非汛期分期设计洪水成果相加即为桐子林电站非汛期分期设计洪水成果如表1所示：
根据雅砻江流域多年的气象资料以及水文气象条件，桐子林水电站二期截流的设计截流流量为2500m3/s，是雅砻江流域水电站枢纽中最大设计流量的一次截流。
2 导流方式及二期截流特点
2.1 导流方式
桐子林水电站工程采用分期导流方案，共分为三期导流。
一期导流：由束窄的原河床过流，在一期围堰的保护下，完成右岸导流明渠及导墙工程施工，2011年6月底明渠已过流。
二期导流：由与右岸明渠纵向导墙衔接的二期上、下游围堰挡水，明渠泄流，施工左岸挡水坝段、厂房坝段和河床段4孔泄洪闸。
三期导流：由三期上、下游土石围堰封堵导流明渠，河床段4孔泄洪闸泄流，施工明渠内3孔泄洪闸改建及部分右岸挡水坝段。
2.2 二期截流水力学模型试验
为保证二期主河床顺利截流，于2011年8月委托四川大学进行了截流模型专项试验，本次试验针对不同戗堤宽度、不同进占方式、不同龙口宽度的多种截流方式进行对比试验，测试与分析截流水力学指标与截流难度的关系，针对截流过程中可预见和不可预见的情况进行了可靠的试验，并根据试验结果提出了宝贵的意见和建议，并于9月20日提供试验成果，以指导截流施工方案的编制以及截流施工。
截流模型的试验结论如下：
（1）不同戗堤宽度对截流水力学指标的难度影响相对较小，其中戗堤宽度为20m时的截流水力学指标最高，因此，将戗堤宽度20m的截流方案作为重点进行试验研究。（2）针对龙口位于河床中右部采用单向进占，戗堤宽度为20m的单戗立堵截流方式中的三种主要截流方式开展了试验：1）设计方案，即明渠进口高程982m，出口高程为986m；2）比较方案，即明渠进口高程为984m，出口高程为986m；3）现场方案，即明渠进口2/3范围高程为984m，其余1/3范围为986m，明渠出口高程为988m。通过试验表明，设计方案水力学指标最低，现场方案水力学指标最高。实测结果表明，现场方案时龙口前水位增加0.20m，较设计方案增加了2%，流量增加了30-40m3/s，流速增加了2.2%，截流难度和流失率均略有增加，但是增加轻微，因此，采用现场方案开展截流基本可行。根据试验结果，推荐龙口位于右岸有裹头部位，采用由左向右进占的单戗立堵截流方式作为首选截流方式。（3）推荐截流方式的最大难度出现在龙口宽度20m的时候，实测的水位差为2.4m，龙口流速为6.26m/s，河床冲刷深度为3m左右，预进占时流失率为30.96%，龙口合拢时流失率为48.21%，截流难度很大，合拢时应增加抛投料尺寸和抛投强度。实际截流时，当龙口宽度小于40m时，龙口上游挑脚抛投料必须按照试验推荐的尺寸和强度。当龙口宽度小于30m时，龙口上游和中部抛投点均必须采用试验推荐的抛投料尺寸和强度，以保证截流顺利、安全合拢。（4）推荐的截流方式龙口下游流速沿程衰减迅速，龙口下游20m后河床床面速度减小到3.0m/s左右，则其冲刷区位于龙口及下游约20m的范围内。（5）由于龙口宽度在20m左右时的截流难度最大，因此，根据进占方式，在龙口位置及龙口下游20m内的河床合拢时抛投抗冲流速为8m/s以上的大块石（铅丝笼）或混凝土四面体，保护龙口不发生严重的下切冲刷，同时减小抛投料的流失量。（6）为了降低截流风险，建议在截流宽度30m左右时采用铅丝笼和混凝土四面体等特殊材料作为辅助抛投料，同时提高抛投料尺寸和抛投强度，加速合拢过程。 2.3 截流特点
根据工程水文地质资料、截流料源及二期截流水力学模型试验成果，桐子林水电站工程二期大江截流存在以下特点和难点：（1）二期截流流量大，最大流量为2500m3/s，计算截流戗堤上下游最大落差3.13m，截流龙口最大平均流速5.58m/s，是雅砻江流域最大设计流量的一次截流，截流难度大。（2）工程坝址区河床地质、水文条件复杂，河床为深厚砂卵石覆盖层，抗冲刷能力弱，不利于截流戗堤稳定。从模型试验来看，冲刷明显，冲刷深度约3～4m。（3）截流戗堤预进占段位于河床深槽位置，水深、流速较大、流态复杂，不利于截流戗堤稳定。从模型试验情况看，小粒径抛投料难以稳定，戗堤堤头坍塌频发且规模较大，给截流人员和设备带来很大的安全隐患。（4）主河床右岸是导流明渠左导墙一期施工纵向围堰，截流戗堤部位有小粒径块石及堰体残留，临水面及水位线以下多为原河床砂卵石覆盖层。模型试验表明，戗堤堤头部位受水流冲刷明显，且龙口冲刷部位防护困难。（5）本工程二期截流预进占段抛投的料物来自头道河渣场，是明渠基坑开挖渣料，风化严重，颗粒级配组成不满足截流抛投料技术要求，对截流戗堤堤头稳定不利。（6）截流块石量有限，仅约3000m3，块石料严重缺乏，备料任务艰巨。
3 截流时间安排
工程的进度直接关系到工程的经济效益和资金筹措，为保证大江截流在最佳时机截流成功，按施工总进度计划安排，2011年9月开始截流施工准备，10月中旬开始上游围堰戗堤预进占施工，同时上游防渗平台滞后20～30m跟进填筑。具体截流施工进度计划及日程安排如下：（a）二期截流水力学模型试验：2011年8月10日～2011年8月29日。（b）二期截流方案评审：2011年9月22日～2011年9月24日。（c）二期截流施工组织设计编写、修改及审批：2011年8月15日～2011年10月5日。（d）备料场C清理、平整：2011年9月1日～2011年9月5日。（e）混凝土四面体预制，铅丝石笼（吨袋）制作、转移至截流备料场C，大块石料转移至场地C：2011年9月15日～2011年11月5日。（f）截流施工道路布置完成：2011年9月30日前。（g）预进占及截流演习：2011年10月中旬。（h）龙口合拢：2011年11月下旬。
4 截流方案设计
4.1 截流方式选择
借鉴目前国内水利枢纽工程及类似工程截流施工经验，根据本工程现场地形条件、交通布置等情况，参考截流模型试验成果，依据水力学计算结果，并对施工技术方案进行了科学合理性、可行性、经济性对比分析，采用上游单戗单向（从左岸到右岸）立堵截流方式。截流龙口设在右岸河床，下游围堰在上游戗堤合拢后跟进施工。
4.2 截流戗堤布置优化
将原设计截流戗堤轴线调直，即将折线部分轴线调整为与水流方向基本垂直，原设计围堰位置及形状不变，调整后戗堤轴线长度约194m。同时采用钢筋石笼在右岸导流明渠一期围堰接头部位做好防冲裹头。
4.3 截流戗堤断面优化设计
按照截流流量2400m3/s，并查阅导流明渠泄流能力曲线，截流闭气后上游水位993.532m，考虑到防渗墙施工及安全超高等影响因素确定戗堤顶高程为995m。截流戗堤顶宽20～23m，按梯形断面设计，上游边坡为1：1.5，堤端边坡为1：1.5，下游边坡为1：1.5。
4.4 截流分区及龙口参数
截流龙口位置及宽度的确定与雅砻江一定标准的流量、导流明渠的分流条件关系密切。确定截流分区及龙口参数是十分重要的是环节，为此，为保证截流的成功，我部从以下参数进行了精确的计算和选择。
（1）龙口位置选择。根据截流水力学计算成果及现场施工条件，对比本工程截流戗堤左右岸河床地质条件，左岸为河床深槽，右岸为河床漫滩，地势较高，选作龙口较为合适。二期截流时可利用一期纵向土石围堰形成的河床右岸堤头，戗堤由左岸向右岸进占，龙口位置设置在主河床右侧。（2）龙口护底和裹头保护。由于本工程龙口段位于河床右岸，不具备交通条件，因此本次截流施工进行护底施工困难。根据水力计算结果，龙口段流速高达5.0m/s以上，为减小水流对右岸原一期纵向围堰的冲刷，在截流前对龙口部位的右岸原一期纵向围堰进行裹头保护，裹头采用钢筋石笼和大块石抛填。（3）截流进占分区。根据水力学计算成果并结合龙口布置情况，截流戗堤分为预进占段和龙口段。预进占段长约134m，龙口段长60m。其中，龙口段分为3个区段：龙口I区、龙口II区、龙口III区。各区段计算截流水力学指标如下：
龙口I区：龙口宽60～40m，龙口平均流速4.36～5.14m/s，最大平均流速5.14m/s。
龙口II区：龙口宽40～20m，龙口平均流速5.140～4.86m/s，最大平均流速5.58m/s。
龙口III区：龙口宽20～0m，龙口平均流速4.86～0m/s，最大平均流速4.86m/s。
5 截流材料规划
5.1 截流材料分区工程量
依据水力计算成果，截流材料分区工程量如表2所示：
依据水力计算成果，龙口段采用石渣料、块石料、铅丝石笼（吨袋）、混凝土四面体和杩槎体填筑。预进占段采用头道沟渣场内的混合石渣料、坝肩开挖料等填筑，采用铅丝石笼（吨袋）、块石料等进行堤头防冲保护。
5.2 料源复查
根据截流各个分区使用材料情况，在施工准备阶段，我部对头道沟料场渣料进行了复查，发现头道沟渣场渣料难以满足二期截流填筑料技术要求，并随后在监理工程师见证下对渣场渣料进行了取样分析，取样分析试验结果表明，头道沟渣场渣料不满足二期围堰填筑料技术要求。
经现场实地测量，料源情况如下：大块石料3000m3，可筛选满足设计填筑要求的混合石渣料3.5万m3，不能满足二期截流施工需要。经附近区域考察发现，在雅砻江左岸河滩料场约有块石及砂卵石混合料1.5万m3；安宁河段左岸冲沟有一人工块石料场，可以有偿提供铅丝石笼料、大块石料及混合料2万m3左右。另计划将左岸坝肩994m高程以上部位开挖料约5.3万m3作为戗堤填筑料。 5.3 截流备料
源料规划：头道沟渣场块石料0.3万m3，筛选石渣料3.5万m3，左坝肩开挖混合料2万m3，块石料1.5万m3。桐子林大桥头河滩料场0.3万m3，其中0.05万m3块石料。外购安宁河左岸料场混合料0.7万m3，块石料0.8万m3，0.5万m3钢筋石笼填料。其余不足部分混合料采用头道沟渣场渣料。
根据截流设计规划，截流戗堤填筑所需要的石渣和部分中石来自头道河渣场。前期堆存在头道沟渣场的大块石料和部分中块石料，以及外购块石料在截流施工前场运至备料场堆存1.8万3；铅丝石笼（吨袋）与钢筋石笼在头道河渣场及备料场制作；原级配混凝土四面体和杩槎体在备料场内制作并堆存，按照上述原则，头道河渣场和场地C备料规划数量见表3。
6 截流施工
6.1 截流施工强度考虑
（1）预进占段抛投强度考虑。预进占段抛投总量8.61万m3，按照截流施工规划，日平均抛投强度3443m3/天，日最大抛投强度4476m3/天。（2）龙口段抛投强度考虑。2011年11月下旬择机进行龙口合拢，戗堤龙口合拢总抛投量2.05万m3料物，平均抛投强度571m3/h，最大抛投强度为856m3/h。（3）堤头抛填强度考虑。戗堤堤头最大抛投强度900m3/h，截流预进占段最大小时抛投强度224m3/h，龙口段最大抛投强度为856m3/h。
6.2 设备选型及配置
为满足截流抛投强度及前期围堰填筑的要求，必须配备足够的装、挖、吊、运设备，优先选用大容量、高效率、机动性好的设备。挖装设备主要选用1.0～3.7m3的反铲和装载机，大石选用ZL50C装载机、VOLVOEC700液压挖掘机等挖装，中块石及石渣料等选用VOLVOEC700液压挖掘机、CAT330液压挖掘机、CAT320液压挖掘机，ZL50C装载机等挖装，原级配混凝土四面体、铅丝石笼（吨袋）等选用25t/16t的汽车吊吊装。运输设备主要选用25t/20t自卸汽车。计划需要25t、20t自卸汽车共112辆，推土机3台、挖装设备10台、汽车吊4辆投入截流施工。
6.3 预进占段施工
根据截流戗堤设计和截流施工道路的布置等条件，截流进占采取上游单戗自左向右单向立堵进占，按照“测量放样→非龙口段预进占→戗堤裹头保护→龙口合拢”程序施工，预留龙口宽60m。
戗堤进占施工前，首先按设计坐标现场测量放样，将截流戗堤轴线及边线、顶高程、顶宽在现场用彩旗作好标识。预进占主要利用头道河渣场石渣及中石料等直接抛投，具体方法如下：（1）戗堤均采用25t/20t自卸汽车抛填进占。在进占过程中，根据堤头稳定情况选用两种抛投方法：自卸汽车在堤头直接卸料，全断面抛投；深水抛填时，采用堤头卸车集料，TY320/TY220推土机配合赶料抛投。截流挖装设备主要选用斗容1.0m3、1.6m3、3.7m3的液压反铲。吊装铅丝石笼（吨袋）串、砼四面体等选用16t、25t汽车吊。截流戗堤堤头采用大功率推土机（TY320/TY220型）推料，另配一定数量推土机进行备料场集料和截流施工道路维护。（2）预进占形成设计龙口宽度后，对预进占戗堤以铅丝笼、大块石以及四面体、杩槎体等特殊物料进行裹头保护，并注意堤头下游角的保护，避免下游角因水流的回流冲刷造成堤头失稳、坍塌。（3）预进占期间最大流速为4.36m/s，根据具体情况决定是否抛填大石、铅丝石笼（吨袋）、四面体等特殊料物。
6.4 龙口段施工
按常规方法，截流戗堤龙口段采用全断面推进和凸出上游挑角进占方式。根据现场料源情况与实际水力学情况，采用凸出中间挑角进占方式，上、下游及时跟进。龙口段施工时，观察和监测水力学情况，采用四面体、马槎体、钢丝块石串，在戗堤中部集中推进，推进宽度为3～6m，每推进3-5m时，视水力学情况，及时补填两侧料物，以稳定凸出体，同时，加高凸进部位，继续推进，直至合拢。
7 结语
桐子林水电站大江二期截流施工在参建各方的共同努力下，精心组织，科学筹划、准备充分、措施到位，并且在施工过程中结合实际情况，对桐子林水电站工程二期截流工程中截流时间计划、截留方式选择、截流戗堤布置、截流料源规划以及施工方法等主要技术问题与施工方案的不断的优化，不仅缩短了工期、克服了填筑物料细小等困难，还减少了施工资源的投入，使桐子林水电工程使整个二期围堰戗堤仅仅在11天内就成功合拢，为后续施工赢得了宝贵的时间，充分证明了本次截流所采用方案的合理性和可行性。二期截流工程施工取得圆满成功，为我们在截流工程领域的施工积累了更为丰富的宝贵经验。
参考文献：
[1]《水利水电工程施工组织设计规范》SL303—2004.中国水利水电出版社.
[2]《水利水电工程施工手册》编委会编，水利水电工程施工手册第1卷施工规划，北京：中国电力出版社，2002年.
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