CN106939587A - 一种水电站主河床截流施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站主河床截流施工方法，包括依次进行的截流前准备和截流施工两个阶段，具体步骤如下：首先进行截流前技术准备工作和截流材料准备工作；准备工作完成后进行截流施工，截流施工依次包括截流道路修建，围堰预进占施工，截流戗堤龙口段合龙，粘土斜墙闭气，围堰施工。采用该施工方法，可使施工有次序、有组织的顺利进行，提高工程进度，降低施工的难度，缩短工期，避免人力和物力的浪费，备料资源也达到优化配置。

Description

一种水电站主河床截流施工方法

技术领域

本发明涉及水利工程的施工方法，具体涉及一种水电站主河床截流施工方法。

背景技术

截流工程是指在泄水建筑物接近完工时，即以进站方式自两岸或一岸填筑戗堤（作为围堰的一部分）形成龙口，并将龙口防护起来。待泄水建筑物完工后，在有利时机全力以最短时间将龙口堵住，截断河流，接着在围堰迎水面抛投防渗材料闭气，水即全部经泄水道下泄。与闭气同时，为使围堰能挡住当时可能出现的洪水，必须立即加高培厚围堰，使之迅速达到相应设计水位的高程以上。截流工程是整个水利枢纽施工的关键，它的成败直接影响工程进度，如失败就可能使进度推迟一年。

截流工程的难易程度取决于：河道流量、泄洪条件、龙口的落差、流速、地形地质条件、材料供应情况及施工方法、施工设备因素等，因此事先必须经过充分的分析研究，采取适当措施，才能保证截流施工中争取主动顺利完成截流任务。

发明内容

为了克服现有技术中截流施工工期易拖延、成本高的不足，本发明的目的在于提出一种水电站主河床截流施工方法，降低施工的难度，缩短工期，避免人力和物力的浪费。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种水电站主河床截流施工方法，包括依次进行的截流前准备和截流施工两个阶段，所述两个阶段具体步骤如下：首先进行截流前技术准备工作和截流材料准备工作；准备工作完成后进行截流施工，截流施工依次包括截流道路修建，围堰预进占施工，截流戗堤龙口段合龙，粘土斜墙闭气，围堰施工。

优选的，所述截流前技术准备工作具体步骤如下：截流方式的选择，截流戗堤稳定计算，截流水力计算，分流建筑物泄流量计算，预进占泄流量计算，泄洪闸泄流量计算，龙口泄流量计算，截流抛投料的抗冲稳定计算以及截流抛石冲距计算。

优选的，在截流材料准备工作中，所述截流材料包含抛投料，所述抛投料由块石串或钢筋石笼组成，块石串采用200kg以上的块石由地质钻机钻直径50mm 的孔,用5～6股钢缆串联成一个整体；钢筋石笼利用钢筋加工成1.0m×1.0m×1.50m，方格尺寸为20cm×20cm的钢筋笼，内装块石形成钢筋石笼。

优选的，在围堰预进占施工的过程中，自卸汽车运输填筑料，齐头并进方式抛投，浅水区进占时端进法抛填；深水区进占时，部分采用堤头集料，推土机赶料抛投；第二阶段龙口段戗堤进占，逐渐合龙。

优选的，在所述截流戗堤龙口段合龙的进占线路，戗堤截流时抛投强度平均为450m³/h,龙口进占时多个汽车同时在卸料,重车回转平台设置在右岸围堰预进占平台上,回转平台按四车道设置，第一道为抛投料重车待命线，第二道和第三道为抛投料卸料线,第四道为空车返回车道。

优选的，在截流戗堤龙口段合龙的过程中，采用全断面推进和凸出上游挑角法两种进占方式。

优选的，在赶料抛投的过程中，采用直接抛投、集中推运抛投或者卸料冲砸抛投中选择一种方式。

本发明的有益效果：采用该施工方法，可使施工有次序、有组织的顺利进行，提高工程进度，降低施工的难度，缩短工期，避免人力和物力的浪费，使备料资源也达到优化配置。

附图说明

图1本发明实施例提供的典型水电站主河床截流施工方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1

如图1所示，本发明提供一种水电站主河床截流施工方法，包括依次进行的截流前准备和截流施工两个阶段，具体步骤如下：首先进行截流前技术准备工作和截流材料准备工作；准备工作完成后进行截流施工，截流施工依次包括截流道路修建，围堰预进占施工，截流戗堤龙口段合龙，粘土斜墙闭气，围堰施工。

实施例2

在实施例1的基础上，如图1所示，所述截流前技术准备工作具体步骤如下：截流方式的选择，截流戗堤稳定计算，、截流水力计算，分流建筑物泄流量计算，预进占泄流量计算，泄洪闸泄流量计算，龙口泄流量计算，截流抛投料的抗冲稳定计算，截流抛石冲距计算。

下面将详细介绍每个步骤：

一、在所述截流方式选择的过程中，应充分分析水力学参数、施工条件和施工难度、抛投物数量和性质，并进行技术经济比较后最终选择。

目前，截流一般有三种方式，这三种方式分别是：

a、单戗立堵截流，简单易行，辅助设备少，较经济，截流落差不超过3.5m。但龙口水流能量相对较大，流速较高时，则需要制备重大抛投物料相对较多。

b、双戗立堵截流，可分担总落差，改善截流难度，落差大于3.5m。

c、建造浮桥平堵截流，水力学条件相对较好，但造价高技术复杂。一般不常选用。

本实施例中水电站主河床在截流前左右岸预进站均以形成。本工程截流条件具有河道天然比降较小、河床表层覆盖层深厚，表层为第四系全新统含漂石砂卵砾石层，糙率较大，具有一定的抗冲刷能力，故本实施例提出截流施工选择适合本工程地形地质、水文条件及枢纽布置特点且技术成熟、造价低廉、简单高效的立堵截流方式。龙口位置为桩号坝右0+086.278m～坝右0+146.278m，龙口长60.0m。采取从右岸向左岸单向单戗进占方式。若后续的施工中，左岸预进站钢筋笼裹头冲刷情况严重，部分钢筋石龙被冲毁，可采用双戗堤立堵方式进行截流。即左右岸预进站同时进行填筑施工，预留龙口约50m～60m。

截流前为了保证龙口的稳定、防止冲刷破坏，将左、右岸预进占龙口的戗堤堤头和河床底部进行保护。对戗堤堤头保护称裹头保护，即对龙口两侧冲刷严重的戗堤堤头抛投钢筋石笼等进行裹头保护；对河床底部进行护底。

龙口垂直水流方向桩号为坝右0+091.757m～坝右0+119.920m范围内利用厚1.0m钢筋石笼护底，护底施工在合龙进占之前完成。

因左、右岸预进占施工时段不同，仅对有可能造成冲刷的左岸预进占戗堤进行裹头保护。左堤头利用钢筋笼装块石护砌，厚1.0m，从河床底沿戗堤进占端坡护至堤顶高程。左岸预进占戗堤裹头要求与已完成的龙口护底相连接形成一个龙口处的抗冲整体。

二、在所述截流戗堤稳定计算的过程中需计算合龙段戗堤的顶部高程Hsc的大小。戗堤顶部高程Hsc定的太高，截流抛投工程量太大，既不经济也不利于快速合龙。反之，定得太低，上游壅水又可能漫溢堤顶，造成施工的不安全。戗堤顶部高程Hsc应高出截流闭气后的上游最高水位He。

所述戗堤顶部高程Hsc计算公式（1）如下：

Hsc＝He+δsc； （1）

式（1）中， δsc为戗堤的安全超高，取值0.5～1.0m；He为截流闭气后的上游水位（也是截流设计流量全部由左岸8孔泄洪闸过流时的上游最高水位，通过现有的试验或现有计算方法可得）；戗堤顶部高程Hsc应高出截流闭气后的上游最高水位He。

经截流水力计算，截流设计流量199m³/s时,上游最高水位为3059.78m,戗堤顶高程Hsc为3060.60m，安全超高为0.82m，此高程是满足工程要求的。

三、所述截流时河道来水总量Q₀由水文资料获取，截流水力计算过程中需计算各泄水建筑物泄流量_。来水总量Q₀可分为龙口泄流量Q_龙、戗堤的渗流量Qs、分流建筑物泄流量Q_d、截流过程中蓄水流量Qr四部分，如以下公式（2）所示。

Q₀＝Q_龙＋Q_s＋Q_d＋Q_r （2）

龙口泄流量Q_龙、分水建筑物泄流量Q_d的计算方式将在后面进行介绍；考虑到截流时水位低、库容小，在计算中常忽略不计Q_s和Q_r。

四、所述分流建筑物泄流量Q_d计算具体指龙口和泄洪闸的联合泄流过程计算。简便计算为：先假设一个上游水位，算出龙口分流量，查出泄洪闸分流量，二者之和，等于河道来水量时，上游水位、二分流量即为所求，否则重新假设上游水位。

作为分流建筑物的左岸8孔泄洪闸进口底板高程为3058.00m。河床预留龙口最低处地面高程为3053.00m，最高处地面高程为3057.00m，泄洪闸前期分流条件较差。经采用已知方法计算，主河床截流前期部分龙口（60m～40m）进占过程与预进占过程相同，是一个束窄河床壅高水位的过程，随着龙口处河床的不断束窄，水位不断上涨壅高，直至水位涨至与泄洪闸底板进口高程相同以后，泄洪闸才开始参与分流。随着龙口的不断被束窄，龙口处的过水流量逐渐减少直至达到合龙。

五、所述预进占泄流量Q_y计算具体指：

预进占为束窄河床阶段，利用束窄河床过流公式（3）进行计算。其过流过程为非淹没流状态，所述预进占泄流量Q_y计算公式（3）如下：

（3）

式（3）中，m₁为流量系数，m₁=0.3；B₁为河床平均过水宽度；H₁为计入行进流速的上游水头，本实施例未考虑行进流速的影响。

六、泄洪闸泄流量Q_x利用宽顶堰流公式（4）进行计算，公式（4）如下：

（4）

式（4）中，ε为侧收缩系数，ε＝0.58；m₂为流量系数，m₂＝0.3849；B₂为堰孔过水宽度，对于梳齿B₂＝n₁ b₁，n₁为梳齿数目，n₁＝8，b₁为每一个梳齿孔的过水宽度，b₁＝7.00m， B₂＝n₁b₁＝56.00m；g为重力加速度，9.8m/s²；H₀为梳齿底槛以上的上游水头。

七、所述龙口泄流量Q_龙计算具体是：

龙口预留宽度为60m，在计算过程中，龙口从60m到40m变化过程中，水位上涨均未达到左岸泄洪闸分流条件，因此龙口从60m到40m时截流参数计算仍取束窄河床过流公式进行计算。龙口从40m到合龙为止，左岸8孔泄洪闸和2孔生态放水孔分流，为方便简化计算过程，2孔生态放水孔作为富裕储备，暂不计算其分流能力。8孔泄洪闸进口由于横向收缩而形成宽顶堰流，其出流为非淹没流状态，计算其泄流能力及上游壅高水深。以下计算公式及说明均是针对0m～40m时龙口泄流量及其它参数变化过程。

计算时河床近似作为平底，河床底部平均高程为3057.00m。戗堤进占截流分为两个阶段。

第1阶段---戗堤进占直至坡脚接触龙口对岸形成三角形断面为止，即b₂≥2m_sh_s……，b₂为龙口顶部宽度；m_s为边坡系数。

第2阶段---戗堤坡脚已接触龙口岸而形成三角形断面后直至最后合龙，即b₂＜2m_sh_s；m₃为流量系数。

第1阶段水流呈非淹没堰流，龙口泄流量Q_龙仍按宽顶堰流公式（5）进行计算。

（5）；

式（5）中，m₃为流量系数，采用0.31～0.34；B₃为龙口宽度，计算时从B₃＝0～40m； m_s为边坡系数，m_s＝1.50；H₀为上游水头。

第1阶段龙口流速V按下式（6）进行计算。

（6）

式（6）中，m₄为流量系数，m₄=0.31-0.34，Z₁为上下游落差；h_s为戗堤轴线断面水深，淹没出流时为下游水深，自由出流时为临界水深。

龙口单宽能量N按下式进行计算。

（7）

式（7）中，γ₁为水的容重，γ₁＝1.0t/m；m₅为流量系数，m₅=0.31-0.34；Z₂为上下游落差；h_s为戗堤轴线断面水深，淹没出流时为下游水深，自由出流时为临界水深。

第2阶段龙口已形成三角形，随戗堤进占，龙口将逐步垫高，此时水流仍呈非淹没流状态，龙口泄流量Q_龙按下式（8）计算。

（8）

其中，h_a=b₃/(2m_s) （9）

式（8）中，为流速系数，=0.75-0.95；b₃为龙口宽度，世实际测量可得；m_s为边坡系数，m_s=1.5；H₂为龙口三角形底起算的上游水深；h_a为龙口三角形底起算的出口水深。

第2阶段龙口流速V按下式进行计算。

（10）

式（10）中，m_s为边坡系数，ms=1.5；为龙口泄流量。

龙口单宽能量N按下式进行计算。

（11）

式（11）中，γ₂为水的容重，γ₂＝1.0t/m³；为龙口泄流量，由公式（5）获得；m_s为边坡系数，m_s=1.50。

根据已建截流计算模型，计算截流各项水力参数，各参数指标计算结果见表1所示。

表1 龙口水力学特性指标（截流设计流量Q=199m/s）

八、所述截流抛投料的抗冲稳定计算具体是：

截流时最大抛石粒径d₁按下式（12）进行计算

（12）

式（12）中，d₁为石块化引为球体的当量直径，单位是m；g为重力加速度，9.8m/s²；γ_s、γ₃分别为块石容重和水的容重t/m；γ_s＝2.4t/m³、γ＝1.0t/m³；v为计算流速，m/s，按照上述公式（6）和公式（10）获得；k为稳定系数，此处k＝1.01。

九、所述截流抛石冲距L计算具体是：在流水中抛石，石块在河底的稳定点和入水点间的距离，称为抛石冲距，抛石冲距L与水流参数、河床粗糙度有关，由于因素复杂，河床表面地形千差万别，计算时利用下列经验公式（13）估算：

（13）

式（13）中，L为抛石冲距，单位m；H₃为抛投点水深，单位m；抛投点水深近似下游水深；v_p为垂线平均速度，单位m/s，按照公式（6）和公式（10）近似获得；d₂为块石折算直径，单位m，由实际需要确定。

截流时抛投料块石粒径及冲距计算见表2。

表2 抛投料块石粒径及冲距计算成果表

实施例3

在实施例1的基础上，所述截流材料准备的过程中，进入龙口段施工时，随着龙口的不断束窄，龙口处的落差与流速均有明显的增长，在此阶段，流速对抛投料的冲刷能力较前加剧，戗堤端坡出现流线形的冲刷面，此时，为了顺利进占，根据流速或单宽能量的大小，合理选择抛投料粒径是尤为重要的。

本实施例采用天然抛投料，在合龙困难时段优选块石串或钢筋石笼作为特殊抛投料，块石串或钢筋石笼一般重3.0～5.0t，块石串采用200kg以上的块石由SW400小金刚地质钻机钻孔（直径50mm）,用5～6股旧钢缆串联成一个整体。钢筋石笼则利用φ16钢筋加工成1.0m×1.0m×1.50m，方格尺寸为20cm×20cm的钢筋笼，内装块石形成钢筋石笼。抛投时利用重型堆土机将它们推入龙口并相互连接形成一个抗冲整体。它们具有稳定性好、阻水小及透水性能良好等优点。

根据龙口水力学指标，将龙口从右至左分为四区,编号分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区及Ⅳ区,Ⅰ区宽度为20m，Ⅱ区和Ⅲ区宽度均为15m，Ⅳ区宽度为10m。

龙Ⅰ区流速范围1.89m/s～2.27m/s，最大流速2.27m/s，抛投粒径15cm～20cm石渣可满足要求；龙Ⅱ区范围2.27m/s～4.34m/s，最大流速达到4.34m/s,抛填块石粒径50cm～70cm中石，同时辅助抛投少量块石串或钢筋石笼可满足施工要求；龙Ⅲ区范围4.34m/s～5.32m/s，最大流速达到5.32m/s,抛填块石粒径70cm～100cm大石和块石串或钢筋石笼，龙口最大流速5.32m/s发生在开始进入三角形断面处，此阶段为施工困难区段,此时龙口水流收缩较大，落差有较大的增长，此时龙口过水能力取决于上游水深而与落差无关。本区段龙口流速与单宽能量逐步达到最大值，此时必须抛投粒径D≥100cm的大石和块石串或钢筋石笼等重物，以避免抛投料的大量流失。块石串抛投料重点抛投上挑角，抛投料在戗堤上游抛投的同时，下游侧利用大块石料跟进填筑。经过该阶段后，龙Ⅳ区流速降为3.74m/s以下,龙口泄流量及流速均有明显的回落，而落差却有较大增长。此时上游水位壅高较大而下游则流速较大，一般石料不易在龙口处站稳而在其下游形成较大的舌状堆积。为避免抛投料的大量流失，在龙口上游侧抛投粒径70cm～100cm大石，使之在合龙段河床上形成多级落差，降低龙口下游流速，改善截流条件，同时跟进抛填大块石夹石渣料,并增大抛投强度,使龙口尽快合龙。

按龙口水下断面及戗堤尺寸计算，并考虑一定的抛投物冲失，龙Ⅰ区计划抛投7256m³，龙Ⅱ区抛投1954m³，龙Ⅲ区抛投1935m³，龙Ⅳ区抛投438m³。

实施例4

在实施例1的基础上， 在截流道路修建的过程中，为了给右岸开挖出渣提供道路，主河床右岸设置有低线施工道路，其起点为右岸滩地跨河桥延伸路，终点为右岸预进占围堰堰头。该低线施工道路还可作为临时备料场和进占戗堤之间的连接道路。

所述围堰预进占施工和所述截流戗堤龙口段合龙为截流施工填筑的两个阶段。

第一阶段为非龙口段围堰预进占施工，预进占抛投料为一般石渣料，此时围堰端头前沿流速较小，自卸汽车运输填筑料，采用齐头并进方式进行抛投，最多允许2辆车同时卸车。填筑料采用20t自卸汽车运输，端进法抛填，使大部分抛投料直接抛入河中，推土机在堤头配合施工；浅水区进占时端进法抛填；深水区进占时，为确保安全，部分采用堤头集料，推土机赶料抛投。

预进占段抛投材料，一般用中、小块石和一般石渣料全断面抛投施工，进占过程中，如发现端头抛投料有流失现象，则在端头进占前沿的上游先抛投一部分大块石和形成挑角，在其保护下，再将石渣抛填在挑角的下游侧。

第二阶段龙口段合龙施工截流进占线路：戗堤截流时抛投强度平均为450m³/h,龙口进占时多个汽车同时在卸料,重车回转平台设置在右岸围堰预进占平台上,回转平台按四车道设置，第一道为抛投料重车待命线，第二道和第三道为抛投料卸料线,第四道为空车返回车道。截流时从备料场出来的重车经右岸6#低线施工道路运到回转平台，重车编队位于围堰轴线下游侧，空车退场走围堰轴线上游侧，以便于在戗堤中部指挥。

为确保堤头车辆安全，汽车轮缘距戗堤边缘不少于2.5m-3.5m，并安排专人布置标识。不同材料车队分别配以不同颜色、数码标志，堤头指挥人员以相应颜色的旗帜分区段按要求指挥编队和卸料。

在截流戗堤龙口段合龙的过程中，采用全断面推进和凸出上游挑角法两种进占方式：

① 全断面推进：是在水力条件较好，流速较小时一般材料可满足，堤头可设两个卸料点进占不分先后、齐头并进。此种方式在龙口前期Ⅰ区，水流流速较小时使用。

② 凸出上游挑角法：即在堤头上游侧与戗堤轴线成30°～45°角的方向，用块石串抛填形成一个防冲矶头，注意块石串与串之间利用钢丝绳相连接,形成一个抗冲整体。在防冲矶头下游侧形成回流区，大块石尾随进占。在龙口中后期采用，此时龙口水流流速和单宽流量较均大，用一般石渣料抛投易流失，上挑角用块石串抛投，将其稳定在堤头上游坡角，挑开水流，下游侧堤头大块石抛投快速跟进，直至最终合龙。

堤头抛投拟采用直接抛投、集中推运抛投和卸料冲砸抛投三种方法：

直接抛投：当堤头边坡较为稳定，自卸汽车能靠近堤头端时，自卸汽车运料至堤头后直接卸料入水中，少量渣场由推土机配合推入水中；

集中推运抛投：在堤头坍塌较严重，自卸汽车不便靠近或渣场需集中抛入水中时，自卸汽车卸料在堤头顶上，由大功率推土机将渣料集中推入水中。

卸料冲砸抛投：当堤头边坡较为稳定，自卸汽车能靠近堤头端时，将块石串从自卸汽车上直接卸料抛入水中，冲砸抛投。

龙口抛投方式与方法根据龙口水力学特征确定，同时要结合堤头推进实际情况由堤头有截流施工经验的指挥员根据具体情况进行调整。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种水电站主河床截流施工方法，其特征在于：包括依次进行的截流前准备和截流施工两个阶段，所述两个阶段具体步骤如下：首先进行截流前技术准备工作和截流材料准备工作；准备工作完成后进行截流施工，截流施工依次包括截流道路修建，围堰预进占施工，截流戗堤龙口段合龙，粘土斜墙闭气，围堰施工。

2.根据权利要求1所述的水电站主河床截流施工方法，其特征在于：所述截流前技术准备工作具体步骤如下：截流方式的选择，截流戗堤稳定计算，截流水力计算，分流建筑物泄流量计算，预进占泄流量计算，泄洪闸泄流量计算，龙口泄流量计算，截流抛投料的抗冲稳定计算以及截流抛石冲距计算。

3.根据权利要求1所述的水电站主河床截流施工方法，其特征在于：在截流材料准备工作中，所述截流材料包含抛投料，所述抛投料由块石串或钢筋石笼组成，块石串采用200kg以上的块石由地质钻机钻直径50mm 的孔,用5～6股钢缆串联成一个整体；钢筋石笼利用钢筋加工成1.0m×1.0m×1.50m，方格尺寸为20cm×20cm的钢筋笼，内装块石形成钢筋石笼。

4.根据权利要求1所述的水电站主河床截流施工方法，其特征在于：在截流道路修建的过程中，主河床右岸设置有低线施工道路。

5.根据权利要求1所述的水电站主河床截流施工方法，其特征在于：在围堰预进占施工的过程中，自卸汽车运输填筑料，齐头并进方式抛投，浅水区进占时端进法抛填；深水区进占时，部分采用堤头集料，推土机赶料抛投；第二阶段龙口段戗堤进占，逐渐合龙。

6.根据权利要求1所述的水电站主河床截流施工方法，其特征在于：在所述截流戗堤龙口段合龙的进占线路，戗堤截流时抛投强度平均为450m³/h,龙口进占时多个汽车同时在卸料,重车回转平台设置在右岸围堰预进占平台上,回转平台按四车道设置，第一道为抛投料重车待命线，第二道和第三道为抛投料卸料线,第四道为空车返回车道。

7.根据权利要求1所述的水电站主河床截流施工方法，其特征在于：在截流戗堤龙口段合龙的过程中，采用全断面推进和凸出上游挑角法两种进占方式。

8.根据权利要求5所述的水电站主河床截流施工方法，其特征在于：在赶料抛投的过程中，采用直接抛投、集中推运抛投或者卸料冲砸抛投中选择一种方式。