樟樹水庫過水圍堰模型試驗研究

章文兵

（江西省修江水利電力勘察設計有限責任公司，江西 南昌 330008）

1 工程概況

樟樹水庫是以灌溉供水功能為主的水庫工程。水庫位于德安縣磨溪鄉(xiāng)，灌溉農田166.67 hm2，工程等別為Ⅳ等、小（1）型水庫工程。根據工程等別，確定永久建筑物的主要建筑物級別為4 級。樞紐工程由均質土壩、溢洪道、右岸灌溉取水涵閘及輸水供水系統(tǒng)等組成。根據施工導流方式，市水利水電勘測設計院在可研階段結合施工進度，選定枯水期圍堰施工導流方案，并在水庫右岸近壩位置增設一條12 m寬、14 m高、420 m長的1#導流隧洞，在1#導流隧洞左側布置總長225.50 m的2#導流隧洞。圍堰擋水標準為10月至次年4月枯水期10年一遇洪水設計流量642 m3/s，20年一遇設計流量1 040 m3/s。上下游圍堰均為土石過水圍堰，堰頂高程分別為34.40 m和28.10 m。根據進度安排，僅在2020年5-9月一個汛期由1#導流隧洞和基坑聯合下泄來水，其后則通過壩體臨時斷面擋水。

2 過水圍堰模型設計

為掌握水庫施工導流階段具體水流條件，結合河床地形條件校核施工導流方案的可靠性，保證圍堰及水庫大壩度汛安全，必須對樟樹水庫過水圍堰導流模型進行試驗。具體而言，采用動床正態(tài)模型并按照重力相似、阻力相似準則設計，比例尺為1：50。以上游圍堰軸線以上500 m，下游圍堰軸線以下700 m的總長度為模型制作范圍，根據河道沖淤平衡原則，以上下游圍堰堰面、壩體及下游圍堰以下河床等為動床進行模型設計。

依據2020年4月30日前壩體和圍堰度汛面貌，樟樹水庫過水圍堰導流模型試驗采用2年一遇、5年一遇、10年一遇和20年一遇過水工況所對應的325、407、642、1 040 m3/s四種洪水標準。選取代表性工況（見表1）進行導流模型定床試驗，并基于分析結果展開動床試驗，通過試驗進行過水水面線測試；試驗范圍內水流流速及流態(tài)觀測，上下游圍堰流速分布；上下游圍堰過流時水躍發(fā)生特征及關鍵部位流速流態(tài)觀測；分析河床岸坡、基坑壩面及圍堰結構沖刷；導流隧洞和圍堰聯合泄流情況模擬分析；圍堰結構優(yōu)化等。

表1 導流模型定床試驗代表性工況表

3 定床模型試驗

測試導流隧洞與圍堰聯合泄流時的分流能力，測試結果見表2。由表2 可知，20 年一遇工況下圍堰上游實測水位為49.60 m，比設計值49.79 m 略低，表明該水庫導流隧洞與圍堰聯合泄流能力基本滿足設計要求。

表2 不同工況下導流隧洞分流量與上游水位實測值表

上游圍堰在各級流量下堰前流態(tài)均處于平穩(wěn)狀態(tài)，過堰水流沿下游坡面下泄后流速逐漸增大，并形成水躍。水躍躍首主要出現在堰后首級斜坡坡面下部2/3～3/4處，高程約為28～32 m；水躍狀態(tài)基本穩(wěn)定，表層水體大量摻氣且劇烈旋滾。在上游圍堰和大壩覆蓋層均未開挖的四個工況下河床平面形態(tài)對水流施加橫向的約束作用，水流流過堰頂后發(fā)生嚴重側收縮，兩側表現出明顯的側向卷流。在上游圍堰和大壩覆蓋層均已開挖以及大壩趾板已開挖工況下，右岸水流側收縮特征仍十分明顯。為保證樟樹水庫施工過程中水流形態(tài)平順，將兩道防護導墻增設在上游圍堰堰頂兩側，經二次模擬驗證，防護效果良好。

水流在各級流量下越過下游圍堰堰頂并未發(fā)生較大跌落。在流量增大的過程中，因受到下游水位頂托的影響，水躍發(fā)生位置逐漸從下游圍堰背水面向圍堰堰頂爬升。不同工況下壩面流態(tài)均較為平穩(wěn)，壩面處水流流速也表現為兩側大、中間小的形式；導流隧洞進口處水流則較為平順，隧洞出口流量均表現為自由出流，水躍較為明顯的出口引渠段水躍躍首與導流隧洞出口距離為70～180 m。下游河床水流流態(tài)則與導流隧洞出口水流和圍堰下泄水流有關，水流流態(tài)主要隨下游河床水位的升高而趨于平穩(wěn)，回流逐漸減弱。

1 040 m3/s不同工況典型位置流速試驗結果見表3。

表3 1 040 m3/s的典型位置流速試驗結果表 單位：m/s

4 動床模型試驗

4.1 原方案動床試驗

結合導流隧洞運行實際，拆除上游圍堰側堰面定床，增設護面面板護堰結構，該護堰面板原型長10 m、寬10 m、厚0.80 m，試驗模型長20 cm、寬20 cm、厚1.60 cm。在試驗過程中，為保證模擬過程及結果的準確性，還應進行每塊混凝土面板勾縫處理，以模擬面板間鋼筋連接，并通過水泥砂漿處理面板和兩岸，保證其可靠連接。按照設計尺寸進行圍堰面板、堰體及下層墊料厚度、粒徑等模擬。動床試驗過程中，當流量為325 m3/s時，上游圍堰結構側面板基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而當流量增大至407 m3/s 時，面板在約為28 m 處被掀起，為分析其他因素的影響，進行了護堰面板的重新鋪設。二次試驗中護堰板仍在躍首部位出現傾覆式破壞。

4.2 堰面保護措施優(yōu)化后的動床試驗

上游圍堰過水堰面原方案使用長10 m、寬10 m、厚0.80 m的混凝土面板，模擬試驗中屢遭掀起破壞，為此必須進行原設計護面結構形式的優(yōu)化。在全面分析上游圍堰過水堰面板受力情況、失穩(wěn)原因、施工工藝等的基礎上，將上游圍堰護面方案從單塊混凝土護面面板形式調整混凝土整體澆筑形式，并順水流向按照12 m 間隔設置縱縫，在上游圍堰下游側平臺增設孔徑20 cm、孔距2.00 m排水孔。按照優(yōu)化后的方案重新進行模型動床試驗，一次性模擬8月洪水過程，根據模型時間比尺，在模擬過程中將流量325、407、642、1 040 m3/s 的放水時間分別設置為2.50、1、1 和1 h，根據洪水過程線確定兩個流量之間的過渡時間。

在以上過水時間及工況下模型試驗過程中，上游圍堰下游側護面面板并未出現掀起、坍塌等破壞現象，結構穩(wěn)定性符合設計要求，下游圍堰下游側護面面板和鉛絲籠等結構也處于穩(wěn)定狀態(tài)。為提升圍堰結構的安全性，增安全儲備，還在模型中左右兩岸、堰頂及護面面板處進行了切割，盡可能確保每條面板均處于獨立狀態(tài)，并盡可能模擬最為不利的工況；同時還針對上游圍堰下游側護面板和堰體進行隔離試驗，論證其穩(wěn)定性。以上試驗表明樟樹水庫過水圍堰優(yōu)化方案切實可行。

5 結論

綜上所述，樟樹水庫河床地形在平面對水流施加橫向約束，故流經上游圍堰堰頂的水流會發(fā)生嚴重側向收縮，兩側發(fā)生明顯斜向卷流，為此采取堰頂增設導墻，并對原混凝土面板結構優(yōu)化。優(yōu)化后上游圍堰下游側采用寬度12 m的整體澆筑混凝土面板，并增設排水孔，還將面板和四周堰體正常聯結。模型試驗結果表明，面板結構優(yōu)化后上游圍堰護面板運行未出現掀起、傾覆、坍塌等情況，安全穩(wěn)定性較好。