基于模型試驗的導流洞圍堰殘埂對截流的影響研究

肖桃李

(長江大學城市建設學院,湖北荊州434023)

魏文俊

(中國葛洲壩集團股份有限公司,湖北宜昌443002)

導流洞進出口圍堰往往由于圍堰下壓導致巖石開挖難度增加、施工工期緊張或爆破不完全等原因而無法拆除到預定高程,從而殘留部分圍堰,影響導流洞的分流能力,進而對截流產生一定的影響[1]。為此,在對水電站截流模型進行試驗研究時,針對導流洞進出口施工圍堰拆除殘留巖埂對截流的影響研究是必不可少的。

瀑布溝水電站,是大渡河流域水電開發的控制性水庫之一,是一座以發電為主,兼有防洪、攔沙等綜合效益的特大型水利水電樞紐工程。工程截流期間,通過左岸2條導流隧洞導流。當主河床封堵時,根據設計要求,導流洞進出口施工圍堰分別拆除至677、670m,河水從1#、2#導流洞聯合過流,導流洞洞身為城門形斷面,寬13m、高16.5m,斷面面積201m2。1#導流洞洞長926.43m,底坡5.4‰,2#導流洞洞長1003.44m,底坡為5.0‰[2]。

1 模型設計

模型按重力相似準則設計為正態整體模型,長度比尺為1∶70。模擬原型河段上游橋至下游橋,全長約3200m(沿主流方向),其中壩軸線上游1200m,壩軸線下游2000m。模型的相關物理參數:幾何比尺 λL=70;流速比尺 λV=8.637;時間比尺 λT=8.637;流量比尺 λQ=40996;糙率比尺 λN=2.030。模型采用1∶1000地形圖等高線法用水泥砂漿塑制高程700m以下岸邊及水下地形,導流洞采用有機玻璃塑制,糙率換算為原型0.0173[3]。截流拋投材料種類和規格如下:小石 (原型粒徑 0.2～0.4m)、中石 (原型粒徑 0.4～0.7m)、大石 (原型粒徑0.7～1.0m)、特大塊石 (原型粒徑1.0～1.3m)、15t砼四面體 (原型邊長3.76m)、20t砼四面體 (原型邊長4.14m)。

圖1 截流模型平面布置圖

模型布置見圖1。模型設置了8個固定測站測量河道沿程水位,測站位置如下:壩軸線上560m、壩軸線、壩軸線下340m、壩軸線下1300m、導流洞進口、導流洞出口、戧堤上、戧堤下。

試驗在截流戧堤龍口局部動床上進行,截流流量采用 Q=1000m3/s,非龍口段進占流量Q=1340m3/s,裹頭保護流量Q=1490m3/s。截流戧堤采用上移方案,龍口段進占采用雙向進占、右岸為主方式,左右堤頭進占長度按1∶2控制,具體見圖2。進口圍堰拆除按殘留巖埂1、2m 2種情況進行,即進口圍堰拆除高程分別為678、679m。出口圍堰拆除按殘留巖埂2m進行,即出口圍堰拆除高程為672m。

圖2 截流戧堤雙向進占程序圖

2 試驗分析

2.1 殘留巖埂對截流終落差的影響

在主河道斷流,進口施工圍堰拆除殘留巖埂分別為1m和2m,出口圍堰拆除殘留巖埂2m組合條件下,試驗流量分別為750、1000、1500m3/s,試驗結果見表1。試驗過程表明,設計條件下,當流量Q≥750m3/s時,進口圍堰頂面水流均為緩流;進口圍堰殘埂1m、出口圍堰殘埂2m條件下,Q=750m3/s時,進口圍堰頂面水流為急流,巖埂后出現跌水現象,當Q≥1000m3/s時,進口圍堰頂面水流均為緩流;進口圍堰殘埂2m、出口圍堰殘埂2m條件下,Q=750m3/s時,進口圍堰頂面水流為急流,巖埂后跌水較明顯,當Q=1000m3/s時,進口圍堰頂面局部產生較弱的跌水現象,當Q=1500m3/s時,進口水流較平順,圍堰頂面水流為緩流。

表1 導流洞進出口圍堰殘埂對截流圍堰閉氣后上游水位影響

通過表1中上游截流戧堤水位比較,有如下規律:相同流量下,進口圍堰殘埂越高,戧堤水位越高且影響越大;進出口圍堰相同拆除條件下,流量越小,對戧堤水位影響越明顯;進口圍堰殘埂越高,流量越小對截流的影響越明顯。進口圍堰殘埂1、2m與設計條件相比,Q=750m3/s時,上游水位分別增加0.14、0.81m;Q=1000m3/s時,上游水位分別增加0.02、0.23m;Q=1500m3/s時,上游水位分別增加0.01、0.07m。因此,相對于截流流量Q=1000m3/s來講,進口圍堰殘留巖埂1m對截流終落差未有明顯影響。

2.2 殘留巖埂對戧堤進占合攏的影響

導流洞進出口殘留巖埂的存在,必將對戧堤上游水位、龍口流速等有影響,對截流施工而言,無疑增大了施工的難度及不可預見性。試驗中,設計截流流量Q=1000m3/s,進口圍堰殘埂分別為1m和2m、出口圍堰殘埂2m 2種條件下龍口段進占合攏過程中水力學參數以及與設計條件下試驗參數比較,其截流的水力學變化參數見表2。由水力學參數表可看出,進口圍堰殘埂1m、出口圍堰殘埂2m條件下龍口段進占合攏過程中水力學參數與設計條件相比,上游水位增加0.05～0.58m,戧堤落差增加0.04～0.18m,均以B=35m時增加值最大;龍口最大流速增加0.09～0.30m/s,同樣是B=35m時增加值最大;進口圍堰殘埂2m、出口圍堰殘埂2m條件下龍口段進占合攏過程中水力學參數與設計條件相比,上游水位增加0.27～1.25m,戧堤落差增加0.14～0.97m,均以B=35m時增加值最大;龍口最大流速增加0.15～0.77m/s,同樣是B=35m時增加值最大。

表2 截流水力學參數表

2.3 殘留巖埂對戧堤進占合攏拋投材料影響

根據表2的試驗分析結果,進口圍堰殘埂的存在,不僅使得上游水位增加、戧堤落差增加、龍口最大流速增加,而且,進口圍堰殘埂的高度越大,對其影響越大,必將導致截流施工難度的增加和施工成本的增加等,為此,試驗中進行了戧堤進占拋投料的統計分析,其分析結果分別見表3和表4。

表3 進口圍堰殘埂1m時戧堤進占拋投料使用情況表

表3的統計表明,當進口圍堰殘埂1m條件時龍口段進占合攏過程中拋投石料總量27335m3,其中大石2169m3、中石6728m3、小石 18438 m3;流失總量 2434m3;而設計條件下拋投材料總用量25539m3,其中大石2767m3,中石5355m3,小石17417m3;流失料總量2147m3。表明拋投材料使用情況基本相同,拋投總量增加約1800m3,流失量也略有增加,進占合攏過程中截流難度沒有明顯增加。

表4的統計表明,進口圍堰殘埂2m條件下龍口段進占合攏過程中拋投石料總量29212m3,其中特大塊石111m3、大石5089m3、中石6640m3、小石17372m3;與設計條件相比拋投總量增加約6300m3,并且大大增加了大石和特大塊石的用量;另外,戧堤下游側流失料形成的舌狀體平臺寬度約32m、長度39m,與設計條件相比 (舌狀體平臺寬度約17m、長度18m)舌狀體平臺范圍明顯加大,流失量明顯增加,流失總量為4891m3,占總拋投量17%。同時流失的中石最遠可到達防滲墻軸線附近 (戧堤軸線下140m處)對防滲墻施工產生不利影響。

表4 進口圍堰殘埂2m時戧堤進占拋投料使用情況表

[1]孟鳴,容曉,王志新.導流洞進口圍堰殘埂對截流的影響研究[J].廣東水利水電,2009,9:14-15.

[2]程明.大渡河瀑布溝水電站截流施工 [J].湖北水利發電,2008,76(3):48-51.

[3]劉珊燕,劉力中,車清權.瀑布溝水電站寬戧堤截流水工模型試驗及應用[J].人民長江,2010,41(2):25-27.