德厚水庫大壩截流設計

畢桉靖 陽雯 云南省水利水電勘測設計研究院

1.工程概述

德厚水庫位于云南文山市德厚河上，水庫總庫容1.13億m3，大壩采用粘土心墻堆石壩，最大壩高70.9m，壩后電站總裝機2.2MW，抽水泵站總裝機10.22MW，工程等別為Ⅱ等，工程規模為大（2）型。

2.大壩施工導流

2.1 導流方式和導流標準

本工程大壩施工采用一次攔斷河床圍堰擋水，隧洞過流的導流方式。主河床截流后第一個枯水期，由截流堰體擋水，導流隧洞泄流，同時進行上游全年擋水圍堰填筑施工。后期由壩體擋水、導流隧洞泄流進行導流。

德厚水庫大壩為2 級建筑物，大壩上游擋水圍堰級別為4 級建筑物，截流堰體為5 級建筑物。截流堰體采用枯期10 年一遇洪水標準（P=10%），設計洪峰流量Q=18.8m3/s。大壩上游圍堰采用全年10年一遇洪水標準（P=10%），設計洪峰流量Q=121m3/s。

2.2 主要導流建筑物

導流隧洞布置在大壩右岸，與水工泄洪隧洞采用“龍抬頭”結合。隧洞洞身總長404.3m，進口高程1324.00m，洞身斷面為圓拱直墻形，導流專用段尺寸為3.0m×3.5m（寬×高），底坡i=0.016。結合段尺寸為3.5m×4.0m（寬×高），底坡為i=0.03。

上游圍堰采用土石圍堰，頂寬11.0m，堰身與大壩永久壩體為部分結合，迎水坡比為1:2.5，背水坡比為1:2.0，最大堰高23m。

3.截流設計

3.1 截流時段及標準

根據本工程水文資料和施工總進度計劃安排，選擇在第一年12月進行截流。截流標準采用重現期為10年的12月月平均流量Q=8.7m3/s。

3.2 截流方式

壩址區地形狹窄，岸坡陡峭，呈典型“V”字型，因立堵截流方法施工靈活簡便，對施工場地及施工交通適應性較強，可根據實際流量大小，決定拋投材料及拋投方式，故本工程采用單戧立堵的方式進行截流。為降低截流施工強度，采用兩岸雙向預進占、由右岸進占進行截流。

3.3 截流戧堤

根據導截流方案，截流戧堤布置于上游圍堰和導流洞進口之間，截流戧堤采用土石填筑堰體，頂寬6.0m。上游坡比為1:2.5，下游坡比為1:2.0，最大高度5.3m。上游采用粘土斜墻及鋪蓋防滲。

3.4 截流水力計算

（1）計算模型

截流計算流量由四部分組成：QJ=QL+Qd+QX+Qs

式中：QJ為截流設計流量；QL為龍口泄流量；Qd為泄水建筑物泄流量；QX為戧堤前河道調蓄流量；Qs為滲透流量。

根據上述公式，聯立方程組求解可得龍口不同寬度下各水力要素：如龍口流量、龍口平均流速、龍口落差、龍口水流單位功率等，從而進一步確定截流拋投料粒徑。

（2）基本計算假定

①龍口進占施工中，按水力學定義龍口流量QL和導流隧洞分流量Qd均為非恒定流；但在截流該相對較短時段內，可按恒定流進行簡化計算。

②德厚水庫壩址地形狹窄，截流庫容較小，可忽略河道調蓄作用，即QX=0；截流時戧堤堰身、堰基滲透流量較小，計算時可忽略滲透流量的影響，即Qs=0。式中QX、Qs均取值為0,作為截流計算安全儲備同時也便于簡化計算。

③本工程截流時導流隧洞內為無壓流，隧洞泄流流量按寬頂堰公式計算。

④采用簡化寬頂堰計算方法推求龍口泄流量。計算時：非淹沒流時龍口水深取臨界水深，淹沒流時龍口水深取下游水深；龍口水面水平，不計水面起伏和波浪影響。

（3）計算步驟

①求算導流隧洞的上游水位H與泄流量Qd的關系。

②求算不同龍口寬度時的上游水位H與泄流量QL的關系曲線。

③由上述兩項計算成果繪成綜合泄水曲線。

4、求算不同龍口寬度的各種水力特性。當截流設計流量QJ已定，利用綜合泄流曲線得出相應某一龍口寬度B的上游水位Z以及泄流量Qd、QL。進而計算得出各項水力指標。

表1 導流隧洞泄流曲線表

⑤計算龍口水力參數及截流拋投材料粒徑選擇。

（4）導流隧洞泄流曲線

根據導流隧洞布置特性，截流時，導流隧洞流態為無壓流，可按無底坎寬頂堰流計算:

式中：σs—淹沒系數，應根據堰后計算水深hs與上游水頭H的比值來判斷是自由出流還是淹沒出流：hs/H＜0.8為自由出流；hs/H≥0.8 為淹沒出流；m—流量系數，取0.34；b—過水斷面寬，b=3m；導流隧洞無壓流泄流計算成果見表1。

（5）龍口泄流能力計算

根據截流設計流量Q=8.7m3/s，選取截流各個典型龍口寬度，分別假定此時龍口下泄流量，并通過下游河道流量～水位關系查得龍口下游水位，經反復試算求出上游水位與龍口下泄流量關系。計算方法如下：

①淹沒流計算：

式中：бn—淹沒系數，龍口為梯形時，hn/H≥0.7時為淹沒流，бn查巴甫洛夫斯基淹沒系數表；龍口為三角形時，hn/H≥0.8為淹沒流，бn查別列津斯基淹沒系數表。m—流量系數，取0.32；Bcp—龍口平均過水寬度，m；Bcp=Shn+b。b—龍口底部寬，m；S—龍口兩側坡度，取1.5。H—龍口上游水深，m；hn—龍口下游水深，m。

②非淹沒流計算：

式中：m—流量系數，取0.32。其他符號意義同上。

QL與臨界水深hk均未知，需通過試算。當龍口為梯形過水斷面時，由試算得hk，式中Bk、Wk分別為臨界水深時對應的過水斷面寬及面積；當龍口呈三角形過水斷面時，由hk=(2QL2/(gS2))1/5，式中S為龍口兩側坡度，取1.5。

（6）龍口水力要素計算

單寬流量q=QL/Bcp,

龍口落差Δz=H-hp，hp—龍口水深，淹沒流時取hn，非淹沒流時取hk。

龍口單寬功率：N=γ·q·Δz；龍口平均流速：v=q/hp，

截流計算的龍口水力要素見表2。

3.5 截流水力要素分析及拋投材料粒徑選擇

本工程截流時水文條件確定，水力條件較為單一，由計算可知龍口最大平均流速為2.6m/s，最大落差為0.53m，最大單寬功率為2.01t.m/（s.m），只要對截流材料及施工機械充分準備，做好龍口保護，大壩截流難度不大。根據水流作用下石塊的穩定計算，本工程截流拋填料粒徑選擇范圍為0.2m～0.8m，選用大壩壩肩開挖石渣料即可滿足要求，為保證順利合龍，可預備一定數量的當量粒徑0.8m～1m的大塊石作為合龍遭遇困難時的應急拋投料。

4.結語

根據德厚水庫水文氣象、地形地質條件，結合工程建筑物布置及施工總進度計劃安排，本工程合理使用枯水期，科學選擇截流方式和截流材料，使德厚水庫大壩于2016年12月21日成功截流，截流后德厚水庫施工進展順利。