杨永忠 姚燕舞 刘军 于琪
摘要：为合理确定孤山航电枢纽工程二期截流各项水力学参数并制定合理的截流方案，使用丹麦水力研究所（DHI）研制的 MIKE 21 FM 平面二维非恒定流水流模型进行截流水动力计算，根据计算成果优化截流设计及施工方案。采用双向立堵法进行围堰合龙，左右岸同步进占，并以右岸向左岸进占的方式为主，成功实现了二期截流。总结了此次截流取得的成功经验，为类似工程设计施工提供参考。
关键词：截流设计；
水力学计算；
围堰施工；
孤山航电枢纽工程
中图法分类号：TV51
文献标志码：A
DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.007
文章编号：1006-0081（2023）06-0036-06
0 引 言
截流是水电工程施工过程中至关重要的环节之一，在水电工程建设中占有重要地位［1-2］。截流过程中常面临各种困难，如截流流量大、准备时间短、准备材料多、设备投入量大等［3］，如没有全面分析这些不确定因素，很有可能导致截流失败。立堵法截流相较于平堵法具有显著优势，中国修建的一些大型水利水电工程截流大多采用此种方法。
近年来，诸多学者围绕大江截流设计和施工开展了应用研究，利用水力学试验与相应分析计算［4］，取得了系列成果。
三峡工程［5］、金沙水电站［6-7］、双江口水电站［8］、向家坝水电站［9］等工程的顺利截流，为大江截流技术与理论的发展积累了宝贵经验。在掌握已有资料和技术的基础上，研究如何将截流失败率降低至最小具有重要意义。本文结合汉江孤山航电枢纽工程实践，采用立堵法截流，以模型試验为基础，针对施工中截流龙口设计、抛投材料备料等参数进行设计并选择合理的施工方案。
1 工程概况
孤山航电枢纽工程坝址位于丘陵区，坝址河谷呈U型，左河道河床高程158～161 m，右河道高程155～159 m，枯水期岩质江心洲宽约222 m，左河道宽 80 m、水深一般为1.5 m，右河道宽146 m、水深一般为5 m。枢纽工程主要由泄水建筑物、电站厂房、通航建筑物、鱼道和两岸挡水坝组成。
本工程采用分期围堰的施工导流方式。一期利用束窄的原河床导流，二期利用一期已修建好的泄水闸导流，二期全年土石围堰建筑物级别为4级，设计洪水标准为P＝5％，瞬时最大流量24 800 m3/s。
2 截流设计
2.1 截流时段及截流标准
原定于2月截流推迟到4月底进行，临近汛期，截流风险加大，难度增高。项目缺乏4月10%频率月平均流量资料，由于4月和11月流量数据基本相同，因此按照11月10%频率月平均流量895 m3/s作为截流设计流量。相对原2月的截流设计流量320 m3/s增加了近2倍。
2.2 截流总体规划
参考其他工程截流技术措施［10-13］，结合工程实践经验确定截流总体方案。
2.2.1 截流备料规划
龙口右侧为混凝土纵向围堰及正在拆除的一期全年土石围堰，利用已建成右区11孔泄水闸过流，
龙口左侧为左岸公路及堆积填料。一期围堰总拆除量80万 m3，二期围堰总填筑量60万 m3，戗堤填筑及合龙抛投料利用一期围堰拆除料，且右岸罗行滩滑坡压脚体有约3万m3块石具备拆除条件，可用作截流块石备料。
上游围堰施工进度较快，施工环境较好，首先进行上游围堰截流，下游围堰在静水中截流，施工难度较小。纵向围堰端头处为本次截流主要存料平台，同时纵向围堰处一期围堰裹头防护有0.5万m3块石，截流时可直接使用。为充分利用一期下游围堰开挖过程中的3万m3大块石等存料，在下游围堰设置存料点，沿纵向围堰填筑宽度18 m便道连接上下游围堰，便道兼做存料平台。上游围堰截流时，上下游两个作业队通力合作，保证投入足够强度的设备资源，提高进占速度。
龙口右侧的一期纵向土石围堰能够在江中形成施工平台，可布置较多工程设备，同时利用孤山岛高程较高、宽度大的天然特点，作为机械停放场及油料存放平台。而左岸存料难度较大，运距较远，需要将右岸拆除料通过孤山大桥运至左岸，在围堰进占区域形成堆料平台。
2.2.2 截流方式
为提高截拋投强度、减小截流历时、降低截流难度，同时避免单向截流对左岸公路边坡的冲刷，选用上游单戗双向立堵截流方式，右岸进占为主，左岸进占为辅。
2.2.3 一期围堰拆除形象进度
截流前应保证右侧一期围堰拆除至具备截流条件，根据地质情况及土石方利用情况，选择在6～11号闸孔位置进行围堰破堰工作。根据截流前一期围堰能够达到的拆除形象进度，通过水力学计算校核是否满足截流要求。确定在二期截流前，上游围堰过流宽度达到120 m，底口高程不高于163 m，下游围堰过流宽度达到110 m，底口平均高程159 m。一期围堰截流前拆除形象进度见图1。一期围堰一旦破堰进水后，纵向围堰将形成孤岛，因此破堰前在岛上存放2 d的油料以供截流备用。
2.3 截流水力学计算
水力学计算是为了研究合龙过程中泄流量、流速、落差、上游水位等水力学指标随龙口束窄宽度的变化规律，据此确定出合理的龙口分区方案，并依次计算各龙口分区内抛投材料的粒径和数量，为截流施工提供参考。
（1） 控制方程。本次计算采用丹麦水力研究所（DHI）研制的MIKE 21FM平面二维非恒定流水流模型。
水流连续方程如下：
zt+px+qy=s（1）
水流运动方程如下：
pt+x（p2h）+y（pqh）+ghzx+gphp2h2+q2h2c2-Ωq-E（2px2+2qy2）=six（2）
qt+y（q2h）+x（pqh）+ghzy+gqhp2h2+q2h2c2-Ωq-E（2px2+2qy2）=siy（3）
式中：z为水位;p、q分别为x、y方向单宽流量；
h为水深;s为源、汇项;six、siy分别为源、汇项在x、y方向的分量;c为谢才阻力系数;Ω为科氏力;E为涡黏扩散系数。
（2） 模型计算方法。MIKE 21 FM模型采用有限体积法求解。首先在空间上将连续方程和运动方程进行积分，得到连续方程和水流运动方程的守恒形式，然后对守恒形式的方程进行空间离散。对于空间离散的每个单元，变量存储在单元的中心，单元与单元之间面上的空间采用高阶格式计算断面上的通量，为保持稳定采用了TVD-MUSCL限制器。在时间离散上可采用一阶Euler 法隐格式或二阶的龙格-库塔方法。方程离散后，采用分块对角矩阵的追赶法求解线性方程组。
模型糙率系数的选取需经过模型的校验确定。经校验，工程河段主槽糙率系数取值范围为0.020～0.025，滩地验证取值范围为 0.030～0.040。涡黏系数根据 Smagorinsky 公式如下：
E=C2sΔ2（ux）2+12（uy+vx）2+（vy）2（4）
式中：u 、v分别为x、y分别方向垂线平均流速;Δ为网格间距;Cs为计算参数，0.25 ＜Cs ＜1.0 。为保证满足计算稳定收敛条件，本次模型计算中最大时间步长取3 s。动边界处理方面，由于计算区域中存在随潮位涨落而变化的动边界，为保证模型计算的连续性，采用“干湿处理技术”，当计算节点水深小于0.001 m时，该计算节点不参加计算：当水深大于0.01 m时，该计算节点重新参与计算；
当计算节点水深位于0.001～0.01 m之间时，只求解连续性方程，不求解运动方程。
（3） 模型计算区域。模型范围为孤山航电枢纽工程及其上下游部分河道，主河道长度约3.9 km，计算范围见图2。整个计算区域采用三角形网格剖分，在泄水闸、围堰位置进行局部加密。
（4） 抛石粒径计算依据。参考DLT 5741-2016《水电水利工程截流施工技术规范》，计算公式如下：
d=vmaxk2gρm-ρρ2（5）
W=π6d3ρm（6）
式中：d为抛投体粒径，折算成圆球体的直径，m；
vmax为龙口平均流速，m/s；
k为综合稳定系数，取1.2；
g为重力加速度，m/s2；
ρm为抛投体的密度，t/m3；
ρ为水的密度，t/m3；
W为立堵截流抛投体质量，t。
2.4 截流戗堤布置与设计
二期围堰截流戗堤为梯形断面，戗堤顶高程不小于截流设计流量对应最高水位（166.1 m）加上一定安全超高，围堰设计戗堤平台高程为167 m，选定截流戗堤顶部高程不低于167 m。
截流戗堤与上游土石围堰填筑体相结合，戗堤布置在围堰轴线下游侧，戗堤上游侧坡脚线距离围堰轴线7 m，以不影响围堰高喷防渗墙施工为原则。迎水面及背水面坡比均为1∶1.5，戗堤顶宽12 m，可满足3辆20 m3自卸汽车同时卸料。
2.5 预进占和龙口宽度
（1） 截流戗堤地质情况。
戗堤轴线处河床地形总体上呈左高右低态势，靠一期的纵向围堰坡脚处河床高程为157.9～160.1 m，靠右岸河床高程约为164.1～170.0 m，170.0 m以上为石渣堆积层。一期纵向围堰坡脚处覆盖层厚约0.5～7.0 m，左岸覆蓋层约4.7～17.5 m，覆盖层主要为卵砾石夹砂和砂层，局部夹有崩石、块石。
（2） 截流预进占及龙口参数确定。
在综合分析地质、交通、水力学条件及料源等因素后确定龙口位置。龙口选择在河床相对较高、水深较浅、覆盖层较薄或基岩裸露的部位。预留龙口宽度可避免预进占抛投料和河床覆盖层流失并减少龙口抛投工程量，降低施工强度并缩短合龙整体历时。
综合以上因素，结合模型试验和水力学计算成果（表1），截流龙口位置选择在距离纵向围堰58.2 m处，截流长度94.4 m，其中预进占段42.2 m（左岸预进占长度14 m，右岸预进占长度28.2 m），龙口段长度52.2 m（顶口宽度），采用双向立堵法进行围堰合龙工作，左右岸同步进占，并以右岸向左岸进占的方式为主，截流龙口布置见图3。
3 截流准备及施工
3.1 施工准备
截流前协调上游水库降低下泄流量进行预进占段施工工作，并确认上游水库合龙期间，下泄流量按照895 m3/s以下控制，确保满足以下要求：① 右侧一期围堰拆除至具备截流条件;② 截流施工道路通畅;③ 截流料准备充足，机械设备、人员到位，施工准备工作完成;④ 对左岸截流涉及到的施工区域及时发布通告，确保施工不受阻。
3.2 截流备料
根据计算的各项截流参数，利用当地可用于截流的材料、装运及抛投条件等进行截流备料。戗堤进占区段如下。① Ⅰ区龙口由52.5 m缩减至35.0 m范围，拋填料粒径为20 cm以上块石混合料，并抛投少量大块石，抛填总量为4 589 m3，其中考虑15%的流失量。② Ⅱ区龙口由35.0 m缩减至20.0 m范围，随着不断向龙口进占，龙口流速增大至最大流速8.0 m/s。通过模拟数据，此阶段为截流最困难时段，抛投料流失较为严重，除了抛投大于30 cm的块石，还需抛投部分特大块石及钢筋石笼。抛填工程量为4 284 m3，其中考虑20%的流失量。③ Ⅲ区从龙口宽度20.0 m进占至0 m，龙口流速逐渐减小至0 m/s，龙口形状为三角形，此时龙口流量已经很小，截流进入最后合龙阶段，拋填料粒径为20～25 cm块石即可满足要求，抛填工程量为4 851 m3，其中考虑10%的流失量。以右岸备料为主，离截流戗堤近，且不影响截流施工，主要截流材料备料点为上游纵向围堰裹头填筑料及一期围堰堰身填筑料，施工便道处存料及下游围堰裹头处存料运距不超过500 m，Ⅰ区和Ⅱ区需抛投石笼，储备987 m3石笼。截流龙口抛投材料设计工程量和抛填强度见表2。
3.3 非龙口段预进占施工
2020年4月23日预留龙口顶口宽度52.2 m，底口宽度40 m，期间抛投料以石渣混合料为主，并抛投部分大块石，堤头基本无流失现象。
在左右岸戗堤预进占至龙口部位时采用大块石或石笼进行防护。预进占时需控制围堰轴线两侧4 m范围内填料粒径，避免大块料的集中及特大石的出现，降低后续围堰防渗墙施工难度，保证防渗墙施工质量［14］。
3.4 龙口段施工
2020年4月24日08∶18开始进行龙口段施工，实际施工参数如下：龙口宽度为52.2 m，对应龙口底宽40 m；
上游实际来水流量805 m3/s，上游水位165.54 m。该阶段主要采取的是全断面进占方式，抛投料以中石及石渣料为主，参用部分大块石。龙口段截流进展顺利，左岸戗堤抛投强度约550 m3/h，右岸戗堤抛投强度约1 400 m3/h。
至11∶15共进占19.1 m，其中左岸进占6 m，右岸进占13.1 m，龙口剩余宽度33.1 m，上游水位165.82 m，流量803 m3/s，上下游水位差4 m，龙口进占变得困难，抛投料流失量增加，截流进入相对困难时段。为有效控制流失，采用大块石料及合金网兜石笼凸出上挑脚进占，中石及石渣混合料在戗堤中部跟进抛投［15］。
后续龙口流速和落差进一步增大，直到12∶12，普通石渣料难以自稳，此区段为合龙最困难的区段，改用特大块石及大块石进占，同时在戗堤上游抛投钢筋石笼及四面体。采用凸出上游挑角的进占方法，在上游角与戗堤轴线夹45°角的部位集中抛投特大块石及特种材料（以钢筋石笼为主），使堤头下游侧形成回流缓流区，再抛投中小石及石渣料进占。为加快进占进度、减少流失和下游侧河床冲刷，选择在上挑角进占同时辅以上下挑角交替进占，中间填一般石料。
13∶05，随着分流比的增长，龙口流速开始下降，戗堤的进占速度明显加快，右岸戗堤最高进占速度达到了6 m/h。至13∶58，龙口剩余宽度为19 m，截流难度明显降低，左右岸全面进占。15∶40完成合龙，截流共历时7.4 h，截流过程中各项主要技术指标参见表3。
工程共投入16臺大型挖装设备，46辆运输设备，抛投总量12 895 m3。合龙后及时将围堰加宽加高至高程172 m（顶宽12 m），以达到临近汛期初步挡水条件；
采用石渣料填筑，填料来自一期围堰左侧部分拆除料。
3.5 经验总结
（1） 密切关注天气、水文情况，在条件允许下，尽早进行截流工作；
做好上游水库调节工作，控制截流期间下泄流量。
（2） 大型水电工程截流施工关系重大，需通过开展截流模型试验研究，充分考虑可能出现的最不利工况，做好施工准备工作。截流前尽量加宽一期围堰过流段宽度，增加一期泄流能力，减少二期围堰截流难度。二期下游围堰截流前尽可能向前进占，以改善上游围堰截流条件。
（3） 进占前，根据流量和观察的流速情况，分别采用挖机抛投单个大块石和石笼，在其上使用拴绳跟踪方法测试流速流态，以确定戗堤进占的时机、流量控制标准，并验算计算成果，进一步确认抛投料粒径大小等参数。
4 结 语
截流工程施工面临截流流量标准高、截流流速
大、分流条件差、 抛投强度大等技术难题。在吸收
截流模型试验成果的基础上，通过水力学计算，确定合理截流参数，根据汉江河道特点以及一期围堰拆除可能出现的不利情况，制定合理的截流方案，从最不利角度实施截流准备工作。实际施工过程中，通过精心组织、有序安排，成功实现了二期截流，为类似工程的截流设计施工积累了经验。
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（編辑：唐湘莤，张 爽）
Study on cofferdam construction scheme design of Gushan Navigation and
Hydropower Project
YANG Yongzhong1，YAO Yanwu1，LIU Jun2，YU Qi2
（1.Changjiang International Water Conservancy and Hydropower Engineering Construction Co.，Ltd.，Shiyan 442000，China；
2.Hanjiang Gushan Hydropower Development Co.，Ltd.，Shiyan 442000，China）
Abstract：
In order to reasonably determine the hydraulic parameters for the second phase closure of Gushan Navigation and Hydropower Project，and to develop a reasonable closure scheme，using MIKE 21 FM two-dimensional unsteady flow model developed by Danish Hydraulic Research Institute （DHI） to calculate the closure flow dynamics，and to optimize the closure design and construction scheme according to the calculation results.Bi-directional advancing was used for cofferdam closure construction，advancing from both left and ride side and dominated by the way of advancing from right to left.The second phase closure was successfully achieved，and the successful experience of this closure was summarized.The research results can provide reference for the design and construction of similar projects．
Key words：
closure design；
hydraulic calculation；
cofferdam construction；
Gushan Navigation and Hydropower Project