何 偉

(新疆塔里木河流域大石峽水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 阿克蘇 843000)

1 工程概況

大石峽水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)，阿克蘇河一級(jí)支流——庫(kù)瑪拉克河中下游溫宿縣與烏什縣交界處的大石峽峽谷出口河段。樞紐距下游已建的小石峽壩址約11km，距阿克蘇市約100km。大石峽水利樞紐工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，具有向塔里木河干流生態(tài)供水、灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益。

大石峽水利樞紐工程屬Ⅰ等大(1)型工程，水庫(kù)總庫(kù)容11.7億m3，電站總裝機(jī)容量750MW，年發(fā)電量18.93億kW·h。樞紐工程由混凝土面板砂礫石壩、表孔溢洪道、中孔泄洪排沙洞、深孔排沙放空洞、生態(tài)放水孔、引水和發(fā)電廠房等建筑物組成，最大壩高247m。泄水、導(dǎo)流建筑物、引水及發(fā)電建筑物均布置在左岸。

本工程采用全年圍堰一次攔斷河流、導(dǎo)流洞導(dǎo)流方式。導(dǎo)流洞于2017年11月開工，2019年11月截流，2020年5月底圍堰已經(jīng)施工至設(shè)計(jì)高程1539.00m。

2 工程施工導(dǎo)、截流特點(diǎn)

2.1 自然環(huán)境影響

大石峽壩址區(qū)多年平均氣溫11.5℃，一月份平均氣溫-6.7℃，七月份平均氣溫24.9℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-22.0℃，多年平均降水量129.5mm。壩址處河流多年平均流量154.5m3/s。庫(kù)瑪拉克河洪水主要由冰川、永久性積雪和季節(jié)性融雪水及降水形成，洪水類型主要分為：融冰雪型洪水、冰川阻塞湖潰決型洪水、融冰雪和降水混合型洪水，6—9月為主汛期，11月至翌年5月為枯水期。

工程區(qū)氣溫年際變化大，冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，堰體防滲結(jié)構(gòu)從防凍和防紫外線老化等耐久性因素考慮宜布置在堰體中心部位。

2.2 地形地質(zhì)條件影響

壩址區(qū)為典型峽谷地形，河谷呈基本對(duì)稱的“V”型。兩岸均為基巖邊坡，山勢(shì)高陡，自然邊坡坡度一般45°～75°，局部近直立。河床主要堆積漂石砂卵礫石層，兩岸坡腳混雜崩坡積大塊石及碎石，下游小石峽水電站2012年蓄水前圍堰處河水位高程1481.70m，小石峽水電站下閘蓄水后庫(kù)尾經(jīng)過(guò)近7年的淤積，河床新增淤積砂礫石厚度約5～8m，河床覆蓋層厚度約為20～23m。覆蓋層下伏基巖為微晶灰?guī)r夾紫紅色厚層灰質(zhì)礫巖，層面較發(fā)育，巖體完整性較好，河床基本無(wú)強(qiáng)風(fēng)化巖體，弱風(fēng)化深度15～20m。

工程區(qū)天然砂礫料儲(chǔ)量豐富運(yùn)距較近，建筑物開挖石渣微晶灰?guī)r為中硬巖，最近的土料場(chǎng)距工程區(qū)約50km，厚度較薄且擬開墾利用。

工程區(qū)缺乏黏土料，防滲材料不宜選擇土料；河床覆蓋層厚度小于30m，大孤石、漂石含量較少，基礎(chǔ)防滲采用高壓旋噴墻的條件較好；上游圍堰較高，河谷狹窄，兩岸基巖岸坡較陡，故截流道路布置以及圍堰的填筑道路布置均非常困難。

2.3 工程建設(shè)要求

上游圍堰高度達(dá)54m，填筑量約48萬(wàn)m3，高壓旋噴面積約0.6萬(wàn)m2，截流時(shí)間確定在11月下旬，5月底庫(kù)瑪拉克河進(jìn)入汛期，上游圍堰施工時(shí)間只有6個(gè)月，基本位于氣溫較低的冬季，圍堰填筑和防滲規(guī)模大，汛前完成圍堰工程工期緊張。

3 施工導(dǎo)流方案

3.1 導(dǎo)流方式

大石峽水利樞紐位于峽谷出口段的河灣處，左凸右凹，河谷呈基本對(duì)稱的“V”型谷，兩岸陡峻，河谷常水位下河寬約30～50m，地形狹窄，不具備河床導(dǎo)流分期條件，導(dǎo)流和泄水建筑物均利用左岸突出山梁裁彎取直布置，出流條件好，故導(dǎo)流方式采用河道一次攔斷河床、隧洞過(guò)流的方式進(jìn)行施工導(dǎo)流，導(dǎo)流洞下閘蓄水后深孔排沙放空洞和中孔泄洪排沙洞控泄限制水庫(kù)抬升水位，并進(jìn)行導(dǎo)流洞封堵。

3.2 導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

大石峽水利樞紐工程為Ⅰ等大(1)型工程。擋水建筑物最大壩高247.5m，為特高混凝土面板堆砂礫石壩，下游有小石峽水電站及阿克蘇等城鎮(zhèn)。根據(jù)規(guī)范[1]第4.8.1條規(guī)定，施工期間臨時(shí)性建筑物擋水、泄水標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)保護(hù)對(duì)象、失事后果、使用年限及臨時(shí)性擋水建筑物規(guī)模，綜合確定圍堰和導(dǎo)流建筑物的級(jí)別為4級(jí)。

根據(jù)規(guī)范[2]第5.6.1條規(guī)定，同時(shí)結(jié)合大石峽工程特點(diǎn)，圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)取土石結(jié)構(gòu)臨時(shí)擋水建筑物的上限20年一遇洪水，洪峰流量2266m3/s，上游圍堰最高擋水水位1534.46m，下游圍堰最高擋水水位1492.31m。

3.3 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞布置在河灣地形的凸岸(左岸)，導(dǎo)流建筑物全長(zhǎng)1557.9m，由進(jìn)口明渠、閘室段、洞身段、出口明渠段組成，其中隧洞長(zhǎng)1200m，斷面型式為“城門洞型”，洞內(nèi)流態(tài)按有壓洞設(shè)計(jì)，出口按非淹沒(méi)出流設(shè)計(jì)，隧洞過(guò)常遇流量時(shí)為明流，相應(yīng)流態(tài)為陡坡急流。

導(dǎo)流洞進(jìn)口明渠和閘室段長(zhǎng)度24m，采用岸塔式結(jié)構(gòu)形式，閘室內(nèi)設(shè)中墩，2孔布置，單孔尺寸5m×14.5m。導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程1487.00m，洞身斷面為10m×14.5m，隧洞縱坡i=6.67‰，全洞采用鋼筋混凝土襯砌[3]。出口明渠由底流消能段和出口明渠段組成，底流消能段長(zhǎng)150m，出口明渠擴(kuò)散段長(zhǎng)207.9m，明渠之外采用鋼筋混凝土海漫與河道相連。

4 施工截流方案

4.1 截流時(shí)機(jī)

截流時(shí)間宜選擇在汛后，以便在枯水期內(nèi)有充足的時(shí)間來(lái)完成圍堰填筑。根據(jù)庫(kù)瑪拉克河水文特性，10—11月為汛后退水期，11月份的流量明顯減少，選擇在11月份截流較為合適。工程區(qū)冬季氣候寒冷，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，11月底即進(jìn)入冰凍期，河道開始結(jié)冰，考慮及早截流，可以給截流、戧堤閉氣及防滲墻施工創(chuàng)造較好的條件。結(jié)合施工形象和圍堰度汛要求，大石峽水利樞紐工程主河床截流時(shí)間選擇在2019年11月上、中旬合適，并宜及早截流。

根據(jù)規(guī)范[2]，截流標(biāo)準(zhǔn)可采用截流時(shí)段重現(xiàn)期5～10年一遇的月或旬平均流量，考慮本工程規(guī)模大，截流標(biāo)準(zhǔn)取上限，選擇11月上旬10年一遇旬平均流量，相應(yīng)流量為61.2m3/s。

4.2 截流方案

4.2.1截流戧堤方式及龍口位置確定

根據(jù)上游圍堰地形條件、采用上戧堤單戧立堵截流方式，龍口設(shè)在左岸，由右岸向左岸進(jìn)占施工。鑒于本工程戧堤布置處河谷寬度只有大約40m，岸坡基巖裸露，截流前戧堤不進(jìn)行預(yù)進(jìn)占。

根據(jù)截流設(shè)計(jì)流量、導(dǎo)流洞泄流能力及龍口水力學(xué)條件[4- 5]，確定戧堤擋水水位為1489.55m，考慮波浪爬高及安全超高后戧堤頂高程取1491.50m。戧堤頂寬根據(jù)拋投強(qiáng)度要求，為滿足3～4輛20t自卸汽車同時(shí)拋投作業(yè)，戧堤頂寬定為20m。戧堤按梯形斷面設(shè)計(jì)，其迎水端頭設(shè)計(jì)坡比為1∶1.3，上、下游坡設(shè)計(jì)坡比均為1∶1.5。

4.2.2截流水力學(xué)計(jì)算

通過(guò)截流水力學(xué)計(jì)算結(jié)果，采用單戧堤單向截流時(shí)，戧堤最高上游水位為1491.72m，最大落差為2.42m，龍口最大流速為4.44m/s，最大單寬流量為4.66m3/(s·m)，最大單寬功率8.76t·m/(s·m)。

大石峽圍堰戧堤布置在圍堰高噴墻的上游，為防止鋼筋籠(或大粒徑石渣)落入高噴墻施工區(qū)域，戧堤軸線與高噴墻軸線相隔一定的安全距離，需復(fù)核計(jì)算截流拋投物預(yù)留沖距，計(jì)算時(shí)利用經(jīng)驗(yàn)公式估算[2,6- 8]。

(1)

式中，L—拋石沖距，m；H—龍口水深，m；v—龍口垂線平均流速，m/s；d—塊石折算直徑，cm。

截流時(shí)拋投塊石粒徑及沖距計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 拋投塊石粒徑及沖距計(jì)算成果表

采用圍堰上游戧堤方案時(shí)，從表1看出，上游拋石沖距最大為13.32m，設(shè)計(jì)的截流戧堤下游坡腳距高噴墻軸線約87m，拋石沖距遠(yuǎn)小于此距離，截流戧堤拋投物對(duì)圍堰防滲高噴墻施工不會(huì)造成影響。

4.3 截流建筑物設(shè)計(jì)

4.3.1圍堰堰型確定

由于圍堰填筑前場(chǎng)內(nèi)道路和左岸聯(lián)合進(jìn)水口開挖已經(jīng)開始，堆石料和天然砂礫料充沛，考慮充分利用開挖渣料和當(dāng)?shù)夭牧?，上下游圍堰均采用土石圍堰。大石峽河床為砂卵礫石層，目前高壓旋噴技術(shù)成熟，適應(yīng)各種壩基，既經(jīng)濟(jì)又安全可靠[4- 5]，基礎(chǔ)防滲采用高壓旋噴墻；考慮土工膜在氣溫5°C以上及無(wú)雨時(shí)即可正常施工，施工進(jìn)度快，不會(huì)干擾上下游填筑[8- 10]，因此堰體防滲采用土工膜心墻防滲。

4.3.2高壓旋噴墻施工平臺(tái)高程確定

依據(jù)施工進(jìn)度安排，上游圍堰高噴防滲墻施工工期為2019年11月至12月底。上、下游圍堰防滲墻施工平臺(tái)按其施工時(shí)段5年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，取11—12月5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)流量為Q20%=68.1m3/s，相應(yīng)上游堰前水位為1492.05m。考慮一定的安全超高、涌浪高度后，確定上游圍堰防滲墻施工平臺(tái)高程為1495.00m，下游圍堰防滲墻施工平臺(tái)高程為1491.00m。

4.3.3圍堰斷面設(shè)計(jì)

上、下游圍堰均采用復(fù)合土工膜心墻土石圍堰，根據(jù)規(guī)范[1]第2.4.20條規(guī)定，堰頂高程頂部不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水的靜水位與波浪高度及堰頂安全加高值之和，考慮到小石峽蓄水后，河床不同程度淤積抬高，上游圍堰高度需預(yù)留一定裕度，確定上游圍堰堰頂高程1539.00m，下游圍堰堰頂高程1495.00m。

(1)上游圍堰斷面形式。上游圍堰堰頂高程取1539.0m，圍堰最大高度54.0m，頂寬為10m，上游坡比為1∶1.65，下游坡比為1∶1.3，頂部長(zhǎng)度197m，最大底寬約195m，下游坡腳距離大壩上游開挖線約40m，上游坡腳距離導(dǎo)流洞進(jìn)口約40m。高壓旋噴灌漿施工平臺(tái)高程1495.00m，旋噴墻深約30m。1495.00m高程以上采用土工膜心墻進(jìn)行防滲，土工膜高度約44m，土工膜上、下游側(cè)采用砂礫石墊層進(jìn)行保護(hù)，厚0.7m，墊層下游設(shè)置過(guò)渡區(qū)，厚2.4m。圍堰兩岸采用帷幕灌漿防滲，灌漿孔間距為3m，孔深7m。截流戧堤位于圍堰下游側(cè)。圍堰在上下游側(cè)各設(shè)置兩級(jí)2m寬?cǎi)R道。圍堰填筑料主要采用開挖石渣料和天然砂礫石料。

(2)下游圍堰斷面形式。下游圍堰堰頂高程1495.00m，最大高度8.5m，考慮交通要求，圍堰頂寬12m，上、下游坡比均為1∶1.8，堰頂長(zhǎng)度246m，最大底寬44m。圍堰防滲型式采用高壓旋噴墻+土工膜心墻的型式，防滲墻施工平臺(tái)高程1491.0m，高噴防滲墻最大深度13.5m。1491.0m高程以上采用土工膜心墻進(jìn)行防滲，土工膜高度約4.0m，土工膜兩側(cè)采用砂礫石心墻進(jìn)行保護(hù)，墻厚4m。圍堰下游坡采用1m厚的塊石進(jìn)行防護(hù)。

通過(guò)穩(wěn)定及滲流分析，上、下游圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，圍堰各分區(qū)滲透比降均小于允許安全值。上、下游圍堰剖面及具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1—2。

圖1 上游圍堰剖面圖(尺寸單位為cm，高程單位為m)

5 施工導(dǎo)、截流方案實(shí)施

5.1 河床截流施工場(chǎng)地條件及道路布置

主河床截流前右岸有沿河路通向上游臨時(shí)棄渣場(chǎng)，并通過(guò)上游臨時(shí)橋與左岸相通，左岸有低線過(guò)壩交通洞溝通上下游交通，左、右岸均具有截流施工的交通條件。左岸低線過(guò)壩洞出口處以及右岸臨時(shí)橋下游均具有施工場(chǎng)地條件。其中右岸臨時(shí)橋下游場(chǎng)地面積約0.4萬(wàn)m2，滿足截流備料堆放及截流施工期生產(chǎn)設(shè)施布置要求，若從右岸進(jìn)占截流則所用石渣料可采自于上游棄渣場(chǎng)；若從左岸進(jìn)占截流則左岸低線過(guò)壩交通洞出口處場(chǎng)地面積稍顯不足，且左岸作為備料場(chǎng)地及截流所用石渣料只能利用下游棄渣場(chǎng)，運(yùn)距均較遠(yuǎn)。因此，推薦從右岸進(jìn)占截流，右岸臨時(shí)橋下游臺(tái)地作為截流備料場(chǎng)地使用。截流交通及場(chǎng)地布置如圖3所示。

圖2 下游圍堰剖面圖(尺寸單位為cm，高程單位為m)

圖3 截流道路及場(chǎng)地條件示意圖(視角從上游向下游看，圍堰軸線在貝雷橋附近)

5.2 導(dǎo)流洞進(jìn)口臨時(shí)圍堰拆除

導(dǎo)流洞進(jìn)口臨時(shí)圍堰采用高壓旋噴心墻+混凝土擋水墻，截流前必須予以拆除。首先采用破碎錘將上部混凝土擋水墻及高噴墻破碎，采用挖機(jī)從進(jìn)口上游至下游將石渣裝運(yùn)至下游棄渣場(chǎng)。如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流洞進(jìn)口臨時(shí)圍堰拆除示意圖(反鏟位置即為導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰位置)

5.3 截流戧堤進(jìn)占

根據(jù)合龍過(guò)程中不同寬度龍口的流速、落差及單寬功率等水力學(xué)指標(biāo)，本工程龍口段進(jìn)占共劃分為3個(gè)區(qū)，以便于施工時(shí)控制拋投材料及采用適當(dāng)?shù)膾佂都夹g(shù)。經(jīng)計(jì)算進(jìn)占Ⅰ區(qū)拋投石渣2100m3，進(jìn)占Ⅱ區(qū)拋投中石2500m3、大石650m3，進(jìn)占Ⅲ區(qū)拋投中石2200m3、大石1500m3，整個(gè)合龍時(shí)間控制在1d內(nèi)，龍口拋投強(qiáng)度大于500m3/h。截流進(jìn)占分區(qū)示意如圖5所示。

圖5 截流戧堤進(jìn)占分區(qū)示意圖(尺寸單位為cm，高程單位為m)

5.4 戧堤合龍

截流時(shí)龍口流速較大，需要高強(qiáng)度拋投施工，故在右岸上游棄渣場(chǎng)布置1臺(tái)1.6m3的反鏟及3輛20t的自卸汽車進(jìn)行石渣拉運(yùn)。在左岸過(guò)壩交通洞進(jìn)口布置2臺(tái)1.6m3的反鏟及10輛20t的自卸汽車，負(fù)責(zé)截流戧堤拋投料的裝運(yùn)，在貝雷橋下游右岸場(chǎng)地1臺(tái)1.6m3的反鏟及8輛20t的自卸汽車，進(jìn)行塊石、鋼筋籠、黏土閉氣料的裝運(yùn)，戧堤平臺(tái)布置一臺(tái)SD22推土機(jī)進(jìn)行平料。截流戧堤采用單戧立堵右岸進(jìn)占，戧堤上車輛運(yùn)行道路布置為加寬三車道。合龍進(jìn)占由右岸向左岸推進(jìn)，各區(qū)段在進(jìn)占過(guò)程中，應(yīng)先在戧堤上游側(cè)拋投大塊徑料形成挑角，然后在下游側(cè)拋投小塊徑料，截流過(guò)程中根據(jù)拋投料的流失量，及時(shí)調(diào)整拋投料組合粒徑，當(dāng)截流進(jìn)入困難段時(shí)，采取2—3輛車并排同時(shí)拋投，截流戧堤寬度20m，并適時(shí)將特殊料由推土機(jī)推入龍口。

2019年11月23日，庫(kù)瑪拉克河成功截流。

6 結(jié)語(yǔ)

施工導(dǎo)截流是大石峽水利樞紐工程建設(shè)的里程碑節(jié)點(diǎn)，大石峽截流設(shè)計(jì)考慮了低溫氣候、黏土料缺乏、狹窄的河谷地形、覆蓋層較厚等因素對(duì)防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、截流和圍堰填筑道路布置的不利影響，采用復(fù)合土工膜心墻堆石圍堰一次攔斷河床、大壩基坑全年施工、利用左岸凸出山梁裁彎取直布置導(dǎo)流洞過(guò)流的導(dǎo)流方式。大石峽水利樞紐立足于現(xiàn)有工期緊張、截流布置困難的施工條件，在確保上游圍堰安全的施工情況，改善截流條件，將截流時(shí)段調(diào)整到11月下旬，減少了截流施工難度，保證了后續(xù)圍堰填筑、高壓旋噴防滲墻施工周期，可為寒冷峽谷地區(qū)同類工程導(dǎo)、截流設(shè)計(jì)提供借鑒。