金沙水電站非天然河床流量下導流明渠截流關鍵技術研究

李瞬旭燕 段會平 李雷

摘要：金沙水電站三期截流戧堤位于導流明渠內，導流明渠過水面較窄、水流深、流速大，若上游水電站受電網調節，河床流量將遠遠大于正常徑流的兩倍以上，增加截流難度及風險，影響金沙水電站建設周期。因此，開展非天然河床流量下導流明渠截流關鍵技術研究十分有必要。通過建立截流模型試驗獲取水力學數據，優化截流方案，最終順利實現了導流明渠截流并取得較好的經濟效益，值得推廣應用。

關鍵詞：導流明渠; 截流模型試驗; 非天然河床流量; 金沙水電站

中圖法分類號：TV551.2 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.004

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0014 - 05

0 引 言

金沙水電站三期截流時，截流僅能采用立堵、單向進占方式，截流設計標準為11月下旬重現期10 a的旬平均流量，Q=1 470 m3/s。明渠截流落差超過4 m，加之明渠岸坡陡峭、渠底平整光滑不利于拋投料的穩定堆積，同時截流流量受上游水電站調控，截流時流量變化大，截流難度較大[1]。為實現安全經濟截流，有必要進行非天然河床流量下導流明渠截流關鍵技術研究[2]。開展了截流物理模型試驗研究，制定了安全經濟的截流實施方案，為工程截流設計施工提供依據，保證截流一次性成功。

1 工程概論

金沙水電站左岸布置電站建筑物，右岸布置泄洪、導流設施。該工程采用明渠分期導流方式[3]。導流明渠布置于右岸，導流共分為3期：① 一期進行右岸導流明渠和混凝土縱向圍堰施工;② 二期主河床截流，在二期土石圍堰和混凝土縱向圍堰保護下施工3孔河床溢流壩段、廠房壩段和左岸非溢流壩段，水流從導流明渠下泄;③ 三期進行導流明渠截流。泄流能力試驗研究目的為測量戧堤閉氣落差，初步判斷截流難度以及復核戧堤頂高程合理性。

2 三期截流模型試驗

2.1 模型設計及制作

模型為正態整體模型，按重力相似準則設計，與原型保持幾何相似、運動相似和動力相似。模型比尺為1∶80（Lr=80）。模型長37.0 m，寬5.5 m，高1.5 m，模擬了壩軸線上游1 200 m至下游1 500 m范圍內高程1 030 m以下的河道地形。

地形采用等高線法制作。地形、各期導流上下游土石圍堰采用水泥砂漿抹面，縱向圍堰、明渠與表孔溢流壩面采用水泥砂漿刮制，表孔閘墩、表孔缺口及排沙孔等采用有機玻璃制作。模型制作和安裝精度均符合SL 155-2012《水工（常規）模型試驗規程》和SL 163-2010《水利水電工程施工導流和截流模型試驗規程》要求。

河道糙率是洪水演進模擬中的重要參數，根據三期圍堰工程下泄流量與上下游水位對應關系，本次研究區域內糙率取值為0.040～0.066。

試驗采用電磁流量計量測流量，采用水位測針量測水位，采用小旋槳流速儀量測流速。儀器設備均經過檢驗，并在有效期內，滿足測試要求。

2.2 泄流能力試驗

排沙孔+2個表孔+1個表孔缺口的泄流能力試驗在明渠封堵條件下進行。試驗流量區段為304～1 640 m3/s，試驗流量級5級。試驗成果如表1～2所示。

試驗證明：戧堤頂高程合理，下游水位對分流建筑物頂托作用較大，對于明渠截流，由于底板光滑，Q=950～1 470 m3/s的戧堤閉氣落差高于3.50 m，根據模型試驗流失量判斷，截流難度將會較大[4]。

2.3 截流水力特性研究

考慮到明渠截流難度大，根據現場實際條件，選取可能降低截流難度的多種方案進行試驗。

2.3.1 方案一

截流戧堤樁號0-89.9 m，即設計位置，由右向左采用單戧立堵方式進占。該方案下進行截流前需增設一條馬道，以便拋投料的運輸，馬道高程為1 007.0 m，寬7 m，坡度1∶1.5接明渠底板。

該方案在設計流量Q=1 470 m3/s時截流難度較大，其截流終落差為4.92 m，龍口圍堰寬度B=29 m的龍口、堤頭的最大垂線平均流速分別為5.77，6.55 m/s，龍口下游的最大流速為8.13 m/s，該區段拋投料流失量較大。同時，截流戧堤軸線位于壩軸線上游89.9 m處，其右側為陡峭山體，需在明渠內鋪設道路，方便進料車的進出，道路施工困難，成本較大。

2.3.2 方案二

考慮截流進占交通問題，戧堤與圍堰不結合，將戧堤軸線一端布置在縱向圍堰頭部，另一端與右岸道路相接，戧堤軸線位樁號0-279.95 m。

方案二截流難度較大，其截流終落差為5.00 m，截流困難段圍堰寬度B=38～22 m區段堤頭的最大垂線平均流速為5.84 m/s，龍口中心線處垂線平均流速達8.73 m/s。該方案的截流戧堤軸線位于明渠進口處，道路交通較為方便。

2.3.3 方案三

鑒于方案二進占前依然要沿高程1 007.0 m平臺鋪設近80 m長的馬道，工程量較大，為達到安全經濟截流目的，對方案二的截流戧堤軸線再次進行了優化，進占起點直接從高程1 007.0 m寬平臺開始，另一端仍位于縱向圍堰頭部。

該方案在設計流量Q=1 470 m3/s時截流終落差為4.52 m，截流困難段B=33 m時，堤頭的最大垂線平均流速為5.46 m/s，龍中線垂線平均流速達9.31 m/s。該方案的截流戧堤軸線位于明渠進口處，無需鋪設道路。3種方案水力參數對比見表3。

在方案三各級流量下，水流行進平穩，堰前水面平靜，分流建筑物進流順暢，消力池水體波動較小，與下游水面銜接平順，排沙孔出流順暢，水面波動不大;明渠進流順暢，縱向圍堰堤頭未發現明顯的繞流現象，適合截流施工。

綜上，在設計流量Q=1 470 m3/s時，方案三的落差、流速等水力特性參數均小于方案一及方案二，雖方案一及方案二的總拋投量小，但不含預增馬道的拋投量，從施工工期和安全經濟等方面綜合考慮，推薦方案三。

3 截流方案設計及施工

3.1 截流水力學計算

根據DL/T 5741-2016《水電水利工程截流施工技術規范》附錄A對該工程三期截流開展水力學計算，水力特性參數如表4所示。

水力學計算與模型試驗成果總體偏差不大，水力學計算結果最大流速為6.586 m/s，模型試驗成果最大流速為6.93 m/s，水力學計算結果偏小。因三期截流模型試驗采用水工整體模型，完全模擬金沙水電站同種工況，為保證三期截流施工更為順利、安全，龍口拋投料品種和數量計算時采用最大流速較大、成果更為真實可靠的截流模型試驗成果[5]。

3.2 龍口施工區段劃分及拋投料物

上游截流戧堤龍口從右岸向左岸單向立堵進占，為便于施工時控制拋投材料，根據合龍過程中不同龍口寬度的流速[v]、落差[z]等水力學指標，將龍口劃分為兩個施工區段（不含預進占及結束段）。預進占：圍堰寬度B=113～88 m（龍口寬度b=73～48 m）龍口平均流速5.42 m/s。第一區段：龍口圍堰寬B=88～73 m（龍口寬度b=48～43 m），龍口平均流速6.11 m/s，落差3.3 m;第二區段：龍口寬圍堰83～53 m（龍口寬度b=43～13 m），龍口平均流速5.76 m/s，落差3.9 m[6]。龍口拋投料物工程量見表5，龍口分區拋投料示意圖見圖1。

3.3 截流水情觀測

3.3.1 水情預報

因導流明渠截流是在非天然河床流量下進行，若上游水電站受電網調節，河床流量最大可能達到3 225 m3/s，將遠遠大于正常徑流的兩倍以上，增加截流難度及風險，因此做好水情預報對明渠截流工程十分重要，影響和制約截流的成敗。

3.3.2 水位觀測

（1） 水尺布置。在截流河段內增設戧堤上、戧堤下、導流底孔上、導流底孔下、導流明渠中部、導流明渠出口共6個水位站。在戧堤上、戧堤下兩側邊界以外適當位置，觀測戧堤上、下水位落差;在導流底孔上口和導流底孔下口觀測水位，控制截流河段的總落差;在明渠中部及出口觀測水位，水位監測站網布置如圖2所示。

（2） 水位觀測。采用激光全站儀觀測水位。預進占及截流期間分別派專人觀測水位，預進占每2 h觀測一次;龍口合龍期間至少每1 h觀測一次。

（3） 流速監測。導流明渠底板光滑、明渠流量大，斷面狹窄，采用電波流速儀非接觸式測速。監測位置設在左岸順堤堤頭上游接近龍口處。觀測頻次：非龍口段每2 h觀測一次，龍口段每1 h觀測一次，連續監測龍口口門區流速變化，并用浮標法進行流速驗證。根據實測的流速，由技術人員分析截流拋投材料粒徑，確定截流實施方案，并將分析得到的結果匯報到截流指揮中心，指導截流的實施。

（4） 龍口寬測量。為掌握截流工程施工進度，有效地服務截流工程施工預報、水文及水力學計算。采用激光全站儀無人立尺進行龍口水面寬（截流戧堤軸線兩水邊點間距）測量。觀測頻次：非龍口段每2 h觀測一次，龍口段每1 h觀測一次。

3.4 截流施工

導流明渠截流時，現場配備自卸汽車20臺（25 t），挖機（PC400 1.8 m3）1臺，挖機（CAT330 1.6 m3）1臺，挖機（PC4002 m3）5臺，推土機（TY320）1臺，裝載機（ZL50C 3.0 m3）1臺。2019年11月25日00：00導流明渠截流正式進入最困難段。龍口寬度43.8 m，河床流量1 235 m3/s，導流明渠分流量673 m3/s，分流比54%，堤頭流速6.5 m/s，落差2.97 m。

導流明渠分流較設計高，導流效果較設計差，導致龍口流速在河床沒達到設計流量時，已接近設計計算值，此階段進占十分困難。為減少沖刷流失過大，現場立即加大資源投入，采用凸出上挑角（約30°）施工，用特大塊石（粒徑與流速匹配）和混凝土預制塊串從戧堤軸線上游側利用汽車直接拋投進占，再將石渣集中傾倒在戧堤軸線中下游側，受場地限制，截流僅能利用1臺推土機、1臺挖機同時向前推進，保證拋投足夠的塊石，各工序銜接流暢，戧堤進占穩步向前。

明渠截流整個過程持續時間長達98 h，龍口拋投量為13 526 m3，最大拋投強度為524 m3/h，龍口最大流速達8.4 m/s，遠遠大于設計流速，中間約12 h戧堤未有絲毫進占，現場立即采取備用措施，將大預制塊作為固定點，將所有四面體預制塊全部串聯至大預制塊上，保證預制塊全部拋投至龍口處，同時不被高速水流沖走，最終順利實現導流明渠截流。

4 結 語

截流設計流量為5 a一遇平均流量Q=1 470 m3/s，實際截流時，受上游水電站電網調節影響，河流最大流量為1 680 m3/s，龍口流速、落差均超設計計算值，截流難度大大增加。通過前期方案優化和截流準備，建立截流模型，收集相關截流參數，確定金沙水電站最經濟、可靠的方案，降低截流風險。在截流實施過程中，實時進行水情監測，面對流失量大的情況，迅速采取相應措施，最終順利實現導流明渠截流，對其他明渠截流施工起到指導性作用。

在經濟效益方面，若采用原設計進行截流則需備料及拋投截流料物等共計10萬m3。推薦最適宜的截流戧堤位置及截流方案，建立水情預報及監測系統，實時計算出拋投強度、拋投粒徑等數據，直接指導現場施工，實際備料及拋投截流料物共計9萬m3，投資節省100余萬元，取得較好經濟效益，值得推廣應用。

參考文獻：

[1] 賀昌海，胡志根，周宜紅，等. 立堵截流方案風險度分析[J]. 中國工程科學，2002（4）：58-63，68.

[2] 胡志根，劉全，賀昌海，等. 水利水電工程施工初期導流標準多目標風險決策研究[J]. 中國工程科學，2001（8）：58-63.

[3] 長江三峽大江截流工程編委會. 長江三峽大江截流工程[M]. 北京：中國水利水電出版社，1999.

[4] 肖桃李，李新平，魏文俊. 水電站截流三維水流數學模型研究[J]. 武漢理工大學學報，2011，33（11）：88-92.

[5] 肖煥雄. 施工水力學[M]. 北京：水利電力出版社，1992.

[6] 張智涌，雙學珍. 水利水電工程施工組織與管理[M]. 北京：中國水利水電出版社，2017.

（編輯：李 晗）

3888501908268