第5章水流控制2.docx
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第5章水流控制2
第五章水流控制
5.1概述
5.1.1工程水文、地质条件
5.1.1.1水文条件
雅砻江流域径流丰沛，径流主要来源由降雨形成，其径流年内变化及地区分布，与降雨变化基本一致，年际变化不大，年内分配相对稳定。
洪水主要由暴雨形成，6～9月为汛期，上游甘孜、雅江等地年最大洪水6月即可出现，中、下游地区最大洪水多发生在7、8两月。
流域径流年内分配大致分为：
丰水期6～11月，主要为降雨补给，水量占全年的81.6%，枯水期12月至次年5月，主要由地下水补给，水量占全年的18.4%。
根据洼里水文站1953年6月～1995年5月43年实测水文系列资料统计，坝址区域内多年平均流量为1220m3/s。
最大年平均流量为1850m3/s，是多年平均流量的1.52倍；最小年平均流量为830m3/s，是多年平均流量的0.68倍。
历年实测最大流量为8020m3/s，最小流量236m3/s。
本工程施工分期设计洪水、不同频率月、旬平均流量、坝址区各支沟洪水分析成果及洼里水文站实测最大洪峰流量统计成果见表5.1－1～表5.1－4。
表5.1－1锦屏一级电站分期洪水成果表
使用期
均值
（m3/s）
CV
Cs
Cv
Qp（m3/s）
P=2%
P=3.3%
P=5%
P=10%
P=20%
P=50%
1月
407
0.16
2
552
534
520
492
461
404
2月
341
0.15
2
454
441
429
408
383
338
3月
386
0.24
8
653
607
570
507
444
359
4月
655
0.37
4
1320
1210
1130
978
823
598
5月
1110
0.36
2
2080
1950
1840
1640
1420
1060
6-9
5700
0.29
4
10000
9370
8850
7920
6920
5390
10月
2550
0.40
2.5
5140
4770
4460
3920
3320
2380
11月
1090
0.22
5
1710
1620
1540
1410
1270
1050
12月
618
0.18
2
867
837
812
764
709
611
表5.1－2雅砻江洼里站月平均流量表单位：
m3/s
月
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
P=75%
1280
691
427
312
284
295
374
575
1190
2070
1820
2030
P=80%
1220
670
415
308
277
289
364
553
1120
1960
1750
1930
P=85%
1160
646
402
293
268
282
352
528
1040
1850
1690
1830
表5.1－3雅砻江洼里站旬平均流量表单位：
m3/s
月
4
5
10
11
12
旬
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
上
中
下
P=5%
459
579
744
868
1040
1280
3260
2480
1780
1330
1060
873
743
639
552
P=10%
432
520
660
795
937
1180
2880
2170
1610
1230
979
814
701
595
519
P=20%
405
470
584
707
826
1020
2500
1920
1450
1120
901
752
648
553
480
表5.1－4锦屏一级水电站及各支沟洪水成果表
沟名
流域面积（km2）
P=3.3%（m3/s）
P=20%（m3/s）
矮子沟（左）
42.1
129
84.7
矮子沟（右）
7.6
31.7
19.8
羊房沟
27.4
91.5
58.1
五二湾沟
5.0
28.3
17.6
三滩沟
80
179
114
肖厂沟
5.6
27.1
16.9
解放沟
16.6
66.4
41.9
普斯罗沟
9.8
36.6
22.9
手爬沟
20.4
74.9
47.4
印把子沟
25.6
89.2
56.6
5.1.1.2地质条件
锦屏一级水电站坝址位于普斯罗沟与手爬沟之间约1.5km的雅砻江河段上，河流流向N25°E，河道顺直而狭窄，水流相对平缓。
枯期江水位1635.7m时水面宽80～100m，水深6～8m。
两岸山体雄厚，基岩裸露，坡陡谷窄。
岩层走向与河流流向基本一致，左岸为反向坡、右岸为顺向坡。
上游围堰区基岩岩性为第二段大理岩，其中左岸分别为第5层厚层状大理岩、第6层深灰～灰黑色薄～中厚层状大理岩；河床及右岸为第3层厚层状大理岩、角砾状条带状大理岩、局部为粗晶大理岩，第4层厚～巨厚层杂色角砾状大理岩、夹绿片岩及粗晶状大理岩透镜体。
总体产状N15º～50ºE，NW∠25º～45º。
河床冲积堆积覆盖层一般厚约25.00～35.00m，按物质组成、颗粒大小及结构特征由下至上大致可分为三层。
第①层：
含块卵（碎）砂砾石层，厚度变化较大，一般厚约4.00～8.00m。
块石块径0.25～0.30m，主要成分为大理岩，含量约5～10%；卵（碎）石粒径一般约0.10～0.20m及0.06～0.09m，呈圆～次棱角状，成分砂岩、大理岩、玄武岩，含量约15%；砾石粒径一般约0.01～0.02m及0.03～0.05m，成分砂岩、大理岩，呈角砾状，含量约40～50%；砂为中粗砂，含量约20～25%。
第②层：
含卵（碎）砾石粉土层，颗粒较细，颜色呈深灰色，厚度变化较大，一般厚约10.00～14.00m。
偶见块石，块径0.20～0.40m，含量约0～3%；卵石成分主要为大理岩、砂岩、灰岩，粒径0.08～0.15m为主，含量约15～20%；砾石主要成分大理岩、砂岩，磨圆度较好，粒径主要为0.005～0.02m、0.04～0.06m，含量约20～25%；粉土及中细砂混杂呈黄褐～灰褐色，粉土含量约35%，中细砂含量约15%。
第③层：
含块碎（卵）砂砾石层，粒径不均匀，混杂分布，厚度变化大，一般厚约8.00～13.00m。
块石成分大理岩，含量约5%；碎石粒径一般约0.08～0.10m，成分大理岩、砂岩、玄武岩，呈棱角～次棱角状，含量约5～10%；卵石粒径一般约0.06～0.08m，成分大理岩、砂岩、玄武岩，磨圆度较好，呈圆～次圆状，含量约15～20%；砾石粒径一般约0.005～0.01m及0.02～0.04m，成分大理岩、砂岩，部分呈角砾状、次圆状，含量35～45%；砂为中细砂含少量粉土，含量10～15%。
5.1.2导流洞泄流能力
本工程采取左右岸导流洞过流，围堰一次截断河床的导流方式，目前右岸导流洞已经过流，左岸导流洞计划10月底过流。
导流洞泄流曲线详见图5.1-1。
根据该图可查得不同上游水位下导流洞相应的泄流能力。
截流设计流量等于导流洞泄流量和戗堤龙口泄流量之和。
5.1.3施工内容
本章施工内容主要包括大江截流工程、施工工作面排水、施工期的安全度汛及防护工程等。
截流设计要充分分析水文资料和水力计算参数、施工条件，进行技术经济比较，其设计内容包括选定的截流方式、截流时段、截流水力学参数、抛投材料的品种和数量、截流供料的料源、备料场地储量、施工主要设备、运输道路等。
施工工作面排水主要指围堰和灌浆平洞施工所需的经常性排水，以及异常情况下围堰过水后施工区内积水的排出。
编制安全度汛措施的内容包括：
（1）围堰工程的防护措施；
（2）防汛器材设备和劳动力配置；
（3）施工区和生活区安全防护措施；
（4）发生超标准洪水时的应急度汛措施。
5.1.4主要工程量
锦屏一级水电站大江截流戗堤设计填筑方量约5.0万m3，考虑流失量以及运输损耗等因素后的备料量约6.27万m3，具体工程量，详见表5.4-1。
5.2截流模型试验
锦屏一级水电站截流工程是本工程施工过程中的关键工程，直接关系到整个工程的按期顺利实施，意义重大。
本工程截流选择11月上旬开始预进占，预进占流量标准为10年一遇旬平均流量Qp=10%=1230m3/s，11月中旬截流，截流标准为10年一遇旬平均流量Qp=10%=979m3/s，结合工程布置及现场施工条件，招标优选单戗立堵的截流方式。
具体施工方案为在上游围堰范围内布置截流戗堤，从右岸单向进占，在左岸形成龙口并最终实现合龙。
初步水力学研究成果表明，在设计边界及分流条件下，单戗截流最大截流落差为4.5m，相应上游水位为1646.1m，截流过程中龙口最大平均流速5.9m/s，对比国内外大型工程的截流经验，截流水力学指标比较高，截流难度也较大。
考虑到实际施工对河床的影响，导流洞进、出围堰拆除不干净留有残埂等不利影响，截流水力学参数将更高，截流难度将更大。
根据以往国内外大型工程的截流经验，截流龙口的三维水力学特征非常明显，作为截流工程具体方案的选择、工程措施的研究以及指导截流工程的具体施工，采用物理模型试验研究取得相关数据。
内容包括：
选择截流流量、龙口尺寸和位置、落差和流速、护底方式、抛投强度、各品种投料数量和龙口合龙时间等。
5.2.1截流模型设计
根据《水工（常规）模型试验规程SL155—95》规定及本工程试验研究内容的要求，截流模型规划如下。
（1）模型比尺
本模型定为正态整体截流模型，按重力相似准则设计，模型与原型保持几何相似、水流运动相似和动力相似。
模型几何比尺定为1：
50（即λl=50），相应参数：
时间比尺为λt=λl1/2=7.07；
流量比尺为λQ=λl5/2=17677.67；
流速比尺为λv=λl1/2=7.07；
糙率比尺为λn=λl1/6=1.919。
（2）模型范围
①模型长度：
根据截流模型试验内容要求，为保证导流洞进、出口水流的相似，模型上游至坝轴线中点以上约1100m，下游迄于坝轴线中点以下约1400m，导流洞上、下游进出口以外预留河道模型长度分别达650m、650m，整个模型模拟原型河段2500m（沿主流线），即模型试验河段总长约50m。
②模型宽度：
根据本河段河道地形条件及导流洞布置要求，原型宽度约为300～800m，相应模型宽度宽度约6～16m。
③模型高度：
模型高度以满足截流模型试验的要求并考虑一定的动床冲深确定。
根据本河段河道地形资料，本河段河床床面最低高程一般为1610m左右，考虑预留30m动床冲刷深度的需要，模型底板高程初定为1580m。
截流戗堤高程为1647.5m，考虑适当超高故模型地形最高高程制作至1650m。
原型最大高差70m，相应模型最大高度1.4m，模型导墙高度1.45m。
模型制作采用定床（局部动床）物理模型，地形充填物为河沙，模型地形采用断面板法和等高线法用水泥沙浆塑制。
两条导流洞混凝土衬砌原型糙率均为n=0.014，模型导流隧洞使用透明有机玻璃材料制作，以利观测导流洞进口、闸室、闸墩、渐变段、弯道、出口等部位的流态、漩涡等水力学现象。
5.2.2试验研究主要内容
5.2.2.1模型河床地形验证
在物理模型修建完后,为保证模型试验水流条件与原型一致,保证试验成果的精度，须根据原型提供的有关天然河道水位流量关系曲线，对物理模型进行验证。
主要验证模型河床糙率、水面线、流态、流速分布，通过河床糙率调整和微地形修改，使模型达到与原型一致的水流条件，为下一阶段试验建立基础。
模型验证流量范围500～1500m3/s。
5.2.2.2截流水力学试验研究
截流试验流量979m3/s条件下，测定戗堤非龙口段和龙口段进占过程各区段的水力学参数，并确定各区段抛投料物的类别、粒径（尺寸）、级配及数量，包括：
①复核和优化截流戗堤轴线的布置；
②验证两条导流洞截流时的分流的能力，观测导流泄洪洞进、出口流态、流速及波浪，判断其对围堰、岸坡的影响；
③确定非龙口段进占各区段的水力学参数及确定龙口位置、宽度。
④确定龙口段进占各阶段水力学参数；
⑤选定非龙口段和龙口段各区段抛投料物的类别及粒径（尺寸）；
⑥选定各区段料物的抛投强度及方式；
⑦研究龙口合龙最困难段龙口的冲刷及戗堤的稳定情况，判断是否需护底，选定护底方式、范围及材料；
⑧组合研究导流洞上、下围堰拆除不干净留有残埂，对截流分流能力、截流水力学参数、截流难度的影响，判断是否需要修改截流方案，及需采取的工程措施；
⑨根据截流模型试验成果，提出与实际情况较相符的截流方案；
⑩结合截流现场施工，开展相关模型试验研究。
5.2.3研究技术路线
鉴于锦屏一级水电站截流工程具有截流流量大、后续施工紧、河床具有一定厚度覆盖层且抗冲流速较低等特点，故拟采用规范要求的水力学试验方法及试验技术，建一座实体物理模型，在水工定床（局部动床）条件下，研究本工程施工导截流相关水力学问题，提供经济有效的截流方案，保证截流工程顺利实施。
在模型建成后，试验拟分四阶段进行：
第一阶段：
模型验证。
既利用天然河道的水位流量关系曲线、流速、流态资料，验证、修改、加糙模型，使模型水面线、流速、流态与原型相同，为下一阶段的试验建立基础。
第二阶段：
在水工定床模型上，针对设计提出979m3/s截流流量条件，研究非龙口段进占、防冲，龙口段合拢各阶段龙口区水力学条件；施工抛投进占方式；导流洞进、出口流态、流速分布、分流情况；抛投材料的选取、稳定性与流失情况；防冲裹头材料的选取、稳定性与流失情况；非天然抛投材料的形式、尺寸、重量的选取及抛投方式；龙口护底的形式、材料、范围；提供不同截流流量、不同条件组合下较优截流方案进行下阶段研究。
第三阶段：
在局部动床模型上针对上述较优截流方案，研究龙口区冲积层的冲刷形态、范围、深度等情况；龙口区水力学参数；戗堤的稳定性及抛投材料的流失情况；龙口护底的形式、范围、效果；优化各截流时段的截流方案。
第四阶段：
研究导流洞上、下游施工围堰拆除不干净留有残埂时，不同残埂条件对导流洞分流能力及截流难度的影响；研究降低截流难度的措施。
5.3大江截流设计
根据招标文件的规定和要求，2006年11月中旬进行大江截流，为减少龙口合拢工程量，计划2006年11月上旬提前进行戗堤预进占，形成宽75m的龙口。
2006年11月中旬视水文预报情况选定3天时间完成龙口段填筑，实现大江截流。
为有效利用截流抛投料，戗堤布置在上游围堰堰体范围内。
戗堤轴线布置在距围堰轴线上游约65.5m处。
根据现场道路布置、场地条件、河床地形以及龙口水力学计算指标等因素综合分析，截流采取单戗单向、立堵进占的方式。
由于左岸地形陡峻、场地狭窄，布置截流施工道路非常困难，因此，截流戗堤采用从右岸向左岸进占，龙口位于河床左岸。
截流戗堤顶高程要保证整个戗堤进占过程中不受洪水的漫溢，按高于截流施工期（11月中旬）10年一遇最大流量对应上游水位1.4m控制，设计戗堤顶高程为1647.5m，顶长约100m。
戗堤设计顶宽25.0m，可满足4辆20t自卸汽车同时抛投的要求。
根据抛投料的自然休止角，确定戗堤上下游边坡为1：
1.5，堤头边坡采用1：
1.3～1：
1.5。
为减少覆盖层冲刷及戗堤抛投料的损失，戗堤预进占段长度暂定为25m，龙口段宽暂定为75m。
根据进占过程中龙口中流速及上下游落差等水力学指标的变化，将龙口段分成三个施工区段，Ⅰ区宽75～50m，Ⅱ区宽50～20m，Ⅲ区宽20～0m，其中Ⅱ区龙口流速接近6m/s，上下游落差达到4.1m，进占过程中难度最大。
截流戗堤分区及进占程序,详见图5.3-1。
截流戗堤进占分区,见表5.3-1。
表5.3-1截流戗堤进占分区表
区段
口门宽度B（m）
进占长度（m）
平均流速V（m3/s）
落差Z
（m）
预计抛投工程量（m3）
预进占段
100～75
25
2.0～2.9
0.2～0.4
13202
龙口段
Ⅰ区
75～50
25
2.5～4.3
0.3～1.1
16506
Ⅱ区
50～20
30
4.2～5.9
1.1～4.1
16861
Ⅲ区
20～0
20
2.6～4.2
4.1～4.5
3431
合计
100
50000
5.3.1上游围堰戗堤非龙口段
非龙口段预进占安排在2006年11月上旬进行，设计流量采用11月上旬10年一遇旬平均流量，相应流量为1230m3/s，非龙口段预进占程序及水力指标特性见表5.3-2。
表5.3-2非龙口段进占程序及水力指标特性表
束窄口门宽度（m）
上游水位（m）
落差Z（m）
单宽流量q（m3/s.m）
流速V（m/s）
单宽功率N（T.m/s.m）
导流洞泄流量（m3/s）
龙口泄流量（m3/s）
95
1642.7
0.2
21.2
2.0
4.9
200
1030
90
1642.7
0.3
23.1
2.2
6.1
203
1027
85
1642.8
0.3
25.3
2.4
7.8
206
1024
80
1642.8
0.4
28.0
2.6
10.0
209
1021
75
1642.9
0.4
31.2
2.9
13.7
215
1015
根据表中水力学指标计算，非龙口段预进占主要采用石渣料抛投。
5.3.2上游围堰戗堤龙口段
龙口段进占安排在2006年11月中旬进行，设计流量采用11月中旬10年一遇旬平均流量，相应流量为979m3/s。
龙口段进占程序及水力指标特性见表5.3-3。
表5.3-3龙口段进占程序及水力指标特性表
龙口宽度（m）
上游水位（m）
落差Z（m）
单宽流量q（m3/s.m）
流速V（m/s）
单宽功率N（T.m/s.m）
导流洞泄流量（m3/s）
龙口泄流量（m3/s）
70
1642.0
0.3
20.3
2.5
6.7
299
680
60
1642.2
0.6
26.2
3.2
14.9
331
648
50
1642.7
1.1
34.9
4.3
36.9
399
580
40
1643.6
2.0
41.3
5.9
83.2
542
437
30
1644.9
3.2
28.3
5.2
91.6
747
232
20
1645.7
4.1
15.2
4.2
61.6
897
82
10
1646.1
4.5
3.8
2.6
16.7
971
8
0
1646.1
4.5
979
0
根据水力学指标计算，龙口段Ⅱ区抛投料以大中石为主，Ⅰ、Ⅲ区抛投料以中小石为主。
5.4大江截流戗堤施工
5.4.1料源规划及调配
截流戗堤抛投料种类包括主要石渣料（粒径＜0.4m）,中石（0.4m～0.6m）,大石（0.6m～1.0m）等,为确保进占过程中的高强度抛投，需提前进行备料，影响备料数量的主要因素有戗堤实际抛投断面、抛投流失量、覆盖层冲刷量以及备料堆存和运输损耗量等。
参照已建工程的截流资料，本标截流备料系数取1.2～1.3，其中预进占段备料系数取1.2,龙口段Ⅰ区及Ⅲ区备料系数取1.25，龙口段Ⅱ区备料系数取1.3。
截流戗堤所需抛投物料数量见表5.4-1。
表5.4-1截流戗堤所需抛投物料数量表
区段
口门宽度（m）
进占长度（m）
抛投材料量（m3）
石渣（<0.4m）
中石（0.4~0.6m）
大石（0.6~1.0m）
特大石（>1.0m）
合计
预进占段
100～75
25
15842
15842
龙口段
Ⅰ区
75～50
25
8254
8253
4126
20633
Ⅱ区
50～20
30
7307
7306
7306
21919
Ⅲ区
20～0
20
2145
1071
1073
4289
合计
100
33548
16630
12505
62683
石渣料备料量33548m3，为开挖料储存在渣场。
根据招标文件料源规划，石渣料主要从两处获取，其中肖厂沟为主备料场，取料30548m3；棉纱沟备料场取料3000m3，主要用于调节高峰期抛投强度。
大、中石需采用反铲从开挖料中选取备料。
中石备料量16630m3，考虑在肖厂沟渣场内及其上游道路两侧备料；大石备料量12505m3，由于发包人已在解放沟低线公路沿线备d>80cm的截流抛投料5000m3，因此还需备料7505m3，备料场同样布置在肖厂沟渣场内及其上游道路两侧。
大、中石备料场占地总面积约7000m2。
如我公司中标，我们将利用右岸CⅡ标由我公司承建的有利条件，在右岸1885m高程以上开挖过程中，调整爆破参数，提高大中石获得率以满足截流需要。
为应对截流过程中龙口段的突发情况以及发生超标洪水的情况，除表中备料数量外，在肖厂沟备料场备用3000m3钢筋石笼，占地面积约5000m2。
每个钢筋石笼设计重量约5t，体积约3m3（2m×1.5m×1.0m），采用φ20～22钢筋焊接而成。
在备料场先将钢筋石笼加工好（不封顶），然后采用反铲分选料场中粒径3070cm的中小石，用反铲或装载机辅以人工配合挖装，最后封顶。
为满足大江截流需要，工程开工后即开始备料，至2006年10月底前全部完成，备料时间约1.5个月。
5.4.2施工布置
截流施工道路主要有两条，具体布置如下：
（1）肖厂沟备料场至戗堤
肖厂沟备料场（沿肖厂沟至上游围堰公路）→导流洞连接线→1＃公路→右岸上游围堰支线→截流戗堤。
该段路面为双车道，线路距离约为3.0km。
（2）棉纱沟备料场至戗堤
棉纱沟备料场（沿1＃公路）→进厂交通洞（沿进厂交通洞）→锦屏西桥→2＃路－1号隧洞→过导流洞连接线→下游围堰临时桥→过坝连接线→截流戗堤。
该段线路距离约为3.5km。
5.4.3施工程序
根据现场了解的情况，左岸地形陡峻，场地狭窄，布置截流施工道路非常困难，因此围堰截流采用从右岸向左岸单戗单向进占。
为减少龙口合拢工程量，计划2006年11月上旬提前进行戗堤预进占，预进占长度约25m，形成宽75m的龙口。
2006年11月中旬进行大江截流，设计截流流量979m3/s，龙口进占共分三区，Ⅰ区：
龙口宽度75～50m，共抛投块石20633m3；Ⅱ区:
龙口宽度50～20m，共抛投块石21919m3；Ⅲ区：
龙口宽度20～0m，共抛投块石4289m3。
合龙按照此顺序依次进占。
5.4.4施工方法
5.4.4.1设备选型与设备布置
（1）设备选型
①为满足截流高强度施工的要求，在设备选型上应优先选用大容量、高效率、机动性好的设备。
②充分利用我集团公司现有的大型设备。
③挖装：
主要选用3.8m3正铲和1.6～2.1m3反铲，钢筋石笼选用16t的汽车吊吊装，1.6m3反铲还可用
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