深厚覆蓋層上施工圍堰防護措施的試驗研究

劉 達，黃本勝，邱 靜，王麗雯，王 珍

(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣州 510610；2. 廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510610；3. 河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣州 510610)

0 引 言

北江是珠江的三大支流之一，全程總長度582 km，流域面積47 853 km2。清遠水利樞紐是在北江干流建設的大型水利樞紐工程，樞紐所在的北江干流中下游平原河道寬度達1.2 km，因此施工導流需要分兩期進行。由于施工導流的行洪流量較大，且圍堰建在深達20 m的砂質覆蓋層上，極易受水流沖刷[1-3]，其圍堰的安全防護設計也成了亟待解決的關鍵技術問題。

本文通過施工導流動床物理模型試驗，研究了河道及導流圍堰外側的水流沖刷規(guī)律，提出的施工導流期防護工程措施，全部為工程設計所采納，確保了工程在施工期的安全。此外，縱向圍堰上游裹頭型式對圍堰外側沖刷坑形態(tài)的影響問題在國內(nèi)外的研究成果較少[4]，在動床模型試驗中對該問題進行了一定的研究，取得了初步的研究成果。

1 工程概況

清遠樞紐是一座以航運、改善水環(huán)境為主，兼顧發(fā)電、反調節(jié)等功能的大型水利樞紐工程，樞紐布置圖見圖1。工程規(guī)模為大(1)型，樞紐庫容為1.4億m3，泄水閘共31孔，采用平板鋼閘門，閘孔單寬16.0 m，泄水閘前緣總長609.5 m，共有4臺貫流式機組發(fā)電，總裝機容量44 MW，通航建筑物標準為III級(1 000 t)，樞紐50年一遇的設計洪峰流量為14 694 m3/s，200年一遇的校核洪峰流量為15 771 m3/s。

圖1 清遠水利樞紐工程平面布置圖Fig.1 Qingyuan water control project floor plan

樞紐導流標準為10年一遇設計洪水[5]，枯期(10月-翌年3月)采用10年一遇枯期洪水，相應設計流量為Q=7 160 m3/s[6]；汛期(4-9月)采用為10年一遇全年洪水，相應設計流量為Q=11 700 m3/s工程采用兩期導流方案，總工期3年，具體施工方案如下：

一期導流工程(第1年10月-第2年9月)主要完成右岸土壩、船閘、門庫、17孔泄水閘的施工。一期工程又分兩個階段實施。第一階段為第一個枯水期(第1年10月-第2年3月，簡稱一枯)，該時段由右岸船閘上、下游枯水圍堰及一期泄水閘枯水圍堰擋水，利用經(jīng)疏浚至3.0 m高程、寬約400 m的左岸原河床導流，期間完成第15號～30號共16孔泄水閘及部分船閘工程的施工，一枯導流圍堰布置圖見圖2；第二階段為第一個汛期(第2年4-9月，簡稱一汛)，利用已疏浚的左岸原河床和已完成右岸的11孔泄水閘聯(lián)合泄流。

圖2 一枯導流平面布置圖Fig.2 The first dry period diversion floor plan

二期導流工程(第2年10月-第3年9月)主要完成左岸14孔泄水閘、門庫、電站廠房及左岸土壩的施工。二期工程也分兩個階段實施。第一階段為第二個枯水期(第2年10月-第3年3月，簡稱二枯)，該時段由二期枯水圍堰擋水，利用已完成的右岸15孔泄水閘過流，二枯導流圍堰布置見圖3，圍堰結構圖見圖4。第二階段為第二個汛期(第3年4-9月，簡稱二汛)，該時段由電站廠房全年圍堰擋水，利用右岸已完成的15孔泄水閘和已完成的左岸第7～16號孔共25孔泄水閘聯(lián)合導流。

圖3 二枯導流平面布置圖Fig.3 The second dry period diversion floor plan

圖4 典型枯水圍堰結構圖(單位：m)Fig.4 Typical cofferdam structure diagram

2 模型設計

模型設計為1:80的正態(tài)模型，模型上邊界為壩軸線上游約3 km，下邊界為壩軸線下游約8 km。由于北江河道的懸沙較少，且施工導流動床模型試驗主要是研究水流沖刷對圍堰安全的影響，故動床模型試驗只模擬床沙，不加懸沙。床沙應滿足起動相似和沉降相似。根據(jù)壩下實測床沙資料，北江該段河床質中值粒徑平均值0.58 mm，經(jīng)反復計算和配制的結果，模型沙取級配合理的中值粒徑為0.40 mm的電木粉，模型沙可滿足起動相似和沉降相似。施工導流中采用的鋼筋石籠防護帶應用等效抗沖流速方法進行模擬，按照5 m/s的抗沖流速，經(jīng)計算選用直徑約1 cm的石子來模擬。

3 圍堰堰腳的主要沖刷部位及防護措施

一枯、一汛、二枯、二汛4個階段分別按照施工導流的設計流量進行試驗，試驗結果表明，4個導流期的河道及圍堰堰腳均發(fā)生了不同程度的沖刷，由于一枯和二枯階段的單寬泄流量大于一汛和二汛兩個導流期，水流對河道及圍堰堰腳的沖刷在一枯和二枯階段也是最顯著的，從沖刷的部位來說，主要的沖刷集中在縱向圍堰的外側堰腳，尤其是縱向圍堰的上游裹頭的外側區(qū)域，該部位的嚴重沖刷對圍堰的安全將構成很大的威脅。

造成縱向圍堰上游裹頭外側明顯沖刷的原因在于水流在該處的運動特性。由于采用了分期施工，當用圍堰堰體堵塞了一側河道后，另外一側的河道作為上游洪水的唯一宣泄通道，上游寬闊的過水斷面在此處突然不對稱收窄，水流不能平順流入導流明渠中，在縱向圍堰上游裹頭周圍產(chǎn)生明顯的繞流流態(tài)，形成持續(xù)的漩渦帶，該漩渦帶極易造成泥沙的起動，引起水流對堰腳的不斷的淘刷，從而在其附近形成沖刷坑，沖刷坑的連續(xù)發(fā)展最終將不可避免的危及圍堰安全。以一枯導流的試驗成果為例，在原圍堰防護方案下(見圖5中斜線表示的陰影區(qū)為原方案的鋼筋石籠防護帶，裹頭附近增設的網(wǎng)格線表示的陰影區(qū)為優(yōu)化方案中增加的混凝土柔性排)，縱向圍堰上游裹頭頭部以下約150 m范圍內(nèi)的20 m寬鋼筋石籠帶普遍塌陷，塌陷寬度平均約10 m；鋼筋石籠外側河床出現(xiàn)較深的帶狀沖刷坑，沖刷坑距堰腳距離約為17 m，最深處高程為-8.59 m。

根據(jù)原方案試驗成果，提出了優(yōu)化的防護方案，優(yōu)化的防護方案主要采用5.0 m×4.0 m×1.0 m(順水流方向長5.0 m、寬4.0 m、厚1.0 m)的混凝土柔性排布置在縱向圍堰鋼筋石籠防護帶外側12 m的范圍內(nèi)，防護長度約為180 m，具體布置見圖5。由于加設了混凝土柔性排防護帶，雖然混凝土柔性排在水流的沖刷下仍大范圍塌陷，但其后的鋼筋石籠防護帶的塌陷范圍則大大縮小，只有裹頭局部范圍有約1/3寬度的塌陷；縱向圍堰外側的帶狀沖刷坑向圍堰外側移動了約8 m，沖刷坑距圍堰堰腳距離約為25 m，其底高程為-4.98 m。優(yōu)化的防護方案使得沖刷坑顯著變淺且距圍堰堰腳保持了足夠的安全距離，能有效保護縱向圍堰與上游圍堰搭接的薄弱處，從而保障圍堰的安全。

圖5 一枯縱向圍堰優(yōu)化的防護方案布置圖(單位：m)Fig.5 Protection scheme arrangement of the first dry period lengthways cofferdam optimized

4 縱向圍堰上游裹頭的型式對沖刷坑形態(tài)的影響

施工導流的動床模型試驗結果則表明了縱向圍堰裹頭型式對沖刷坑的形態(tài)產(chǎn)生顯著的影響。以一枯導流為例，縱向圍堰上游裹頭的原設計方案在圍堰外側產(chǎn)生了長(順水流方向)120 m、寬50 m的沖刷坑，沖深最大達12 m，主要原因是裹頭型式不佳造成局部漩渦帶沖刷河床。為此優(yōu)化了縱向圍堰上游的裹頭型式，將斜線型裹頭改為圓弧型裹頭(見圖6)，使得裹頭附近的水流流態(tài)顯著改善，漩渦帶基本消失，優(yōu)化后方案使得沖刷坑的深度和范圍都顯著縮小(見圖7、圖8)，沖坑長度、寬度分別減小到55、24 m，最大沖深降低為4.8 m。

圖6 一枯縱向圍堰上游裹頭優(yōu)化Fig.6 The first dry period lengthways cofferdam-breach upstream optimized

圖7 一枯縱向圍堰上游裹頭型式優(yōu)化前Fig.7 The first dry period lengthways cofferdam-breach upstream before optimization

圖8 一枯縱向圍堰上游裹頭型式優(yōu)化后Fig.8 The first dry period lengthways upstream cofferdam-breach upstream after optimization

圖9 主河槽橫向防護帶布置圖(單位：m)Fig.9 Main river channel crosswise protected zone arrangement plan

5 主河槽的沖刷及防護措施

動床試驗結果顯示，原施工導流方案在一枯期間河道的流速較大，平均流速在3.0 m/s以上，局部流速達3.8 m/s，較大的水流動能造成主河床較大幅度的沖刷，圍堰堰腳外側的鋼筋石籠防護帶大面積塌陷，圍堰堰腳遭到破壞，河道平均沖深達8 m，局部最大沖深達16 m。

通過在主河床設置兩條寬30 m、間距130 m的橫向鋼筋石籠防護帶(見圖9)，有效地遏制了縱向圍堰上游裹頭等處形成的局部沖刷坑向下游蔓延趨勢，使得下游的帶狀沖刷深度明顯降低，防護帶僅局部塌陷，圍堰堰腳前均有一定寬度的完整防護帶保護，河道平均沖深降低為3.5 m，局部最大沖深降低為5.5 m，該防護措施較好地解決了一枯導流期間主河床的大幅沖刷從而影響到圍堰安全的問題。

6 結 語

清遠樞紐在施工期間經(jīng)受住了3場大洪水的考驗，施工導流期間的原型觀測結果表明，水流運動規(guī)律及主要沖刷部位都與模型試驗結果一致，根據(jù)模型試驗優(yōu)化的縱向圍堰上游裹頭及鋼筋石籠防護帶起到了顯著的防護作用。通過施工期的動床物理模型試驗研究，對于平原深厚覆蓋層上興建大型水閘樞紐，在設計上應尤其關注以下幾點：

(1)在深厚覆蓋層上進行分期施工導流，河道及圍堰堰腳都會受到不同程度的沖刷，沖刷最嚴重的部位常位于縱向圍堰堰腳及裹頭的外側，因此，上述部位需要加以重點防護。

(2)縱向圍堰的上游裹頭型式對于圍堰外側沖刷坑的發(fā)展影響較大，若其外型設計不合理，易在進口處產(chǎn)生繞流流態(tài)、漩渦帶及回流區(qū)，造成圍堰堰腳外側的河床泥沙隨漩渦起動，逐漸發(fā)展，進而淘刷堰腳，危及圍堰安全。因此，在大型水閘樞紐的設計中開展水工模型試驗優(yōu)化圍堰裹頭型式是十分必要的，合理的裹頭型式既能提高過流能力又能顯著降低圍堰外側的沖刷程度。

(3)施工導流期，當主河床流速較大、河床面臨較大的沖刷時，采取在主河床上沿程間隔設置橫向鋼筋石籠防護帶的措施，可以有效減輕河床沖刷。

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[1] 吳志堅，汪玉君.大型水庫施工導流的試驗研究[J].西部探礦工程，2006,(2)：34-38.

[2] 朱國偉，閻修家.飛來峽水利樞紐施工導流設計中的幾個主要技術問題[J].人民珠江，1999,(4)：42-48.

[3] 羅潔平，楊 進.孟洲壩水電站施工導流與施工期通航[J].中南水力發(fā)電，1997,(9)：40-42.

[4] 肖煥雄.國外施工導流情況綜述及有關問題的探討[J].水力發(fā)電，1985,(2)：42-46.

[5] 肖煥雄.論施工導流標準[J].水力發(fā)電，1987,(3)：21-26.

[6] 陳椿庭.大型水電施工導流的流量[J].水力發(fā)電，1985,(9)：33-38.