沙坪一級水電站束窄河床施工導流研究

摘要：針對束窄河床施工導流的迎水側淘刷問題，結合沙坪一級水電站工程實際條件，提出較經濟安全的迎水側防護形式。通過導流模型試驗、公式計算等多種方式分析了束窄側河床的流速流態，劃分了高沖刷風險區域和正常區域；利用高合金網兜材料，對高沖刷風險區域進行防護。結果表明：經歷汛期的大流量沖刷，迎水側坡面實際運行情況驗證了設計的合理性以及防護的可靠性。研究成果可為類似工程提供參考。

關鍵詞：束窄河床； 施工導流； 沙坪一級水電站

中圖法分類號：TV222文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.012

文章編號：1006-0081（2024）S2-0039-04

0引言

分期導流是常規水電工程中的主要導流方式，一般適用于流量大、河床寬、水頭較低等具備較寬裕施工條件的工程［1］。分期導流會利用現有地形地質條件進行導流建筑物的布置，一期導流通常采用土石圍堰對原始河床進行束窄，以土石圍堰作為擋水建筑物，由剩余原始河床過流。一期土石圍堰縱向段束窄率較高，導致流速增加、水位升高，改變了剩余原始河床的流態，使迎水側流速加快，產生淘刷風險。通常采用混凝土護坡或者塊石護坡的防護形式［2-3］，近些年也采用膠結砂礫石等新材料進行防護［4］。

一期土石圍堰上下游側通常與岸坡直接相接，保護一期基坑施工安全。圍堰與岸坡相交的角度一般為90°～135°。若圍堰與岸坡呈90°，束窄河床區域進出口河床將發生突變，過流區域內的流態將較紊亂，流速也會有較大的突變，加大了圍堰受沖刷的風險［5］。因此，在有條件的情況下，通常將圍堰與岸坡呈大角度相接布置［6-7］。

施工工程所在區域條件多變，部分束窄河床的圍堰與岸坡會采用垂直相接的布置方式，加劇了圍堰的沖刷。為研究束窄河床的水力學機理，部分學者采用計算機模擬技術，對束窄河床導流進行分析［8-9］，也有學者建立了平面二維水流數學模型進行研究［10-11］。但是，對于復雜邊界條件的束窄河床導流工程，應采用一定比例的實體導流模型試驗作為設計依據［12-14］。本文采用理論模型，分析沙坪一級水電站束窄河床的流速與流態，并通過實際應用驗證理論模型和抗沖設計的合理性。

1工程概況

沙坪一級水電站為Ⅱ等大（2）型工程，位于四川省樂山市金口河區境內，采用束窄河床分期導流方式。工程施工區域內的河道從上游至下游呈拐彎狀，河道狹窄，左右岸分別有成昆鐵路和國道通過，上游靠近基坑側存在一條泥石流溝，下游側左岸河床分布凸出巖體，束窄河床下游側出口左岸分布地方工業區。受上述環境邊界條件和大流量的限制，一期圍堰上游整體基本與國道呈垂直角度布置。以上限制條件，導致一期圍堰迎水側部分區域流速較大，流態變化較嚴重。

2模型試驗

2.1模型建立

根據相似原理，模型與原型的主要力學相似條件如下。

（1） 流場中任意一個相應點處的流體質點上，作用著同性質的一個或數個力；

（2） 所有作用在相應點處（以單位流體體積計算）的同名力比值是相同的；

（3） 流動的運動學及動力學起始條件及邊界條件相同；

（4） 模型水流必須是充分紊動，要求模型水流的雷諾數1 000≤Re≤2 000；

（5） 要使表面張力不干擾模型水流運動，要求模型水流水深至少大于2 cm；

（6） 模型水流位于阻力平方區，而又嚴格滿足幾何相似條件，則阻力相似自然得到滿足，從而模型滿足比例要求。

2.2物理模型

模型范圍：上至壩軸線以上500 m，下至壩軸線以下600 m；以上游圍堰為界，模型的上游高程不低于580.0 m、下游高程不低于575.0 m。同時，模擬范圍要保證水庫來流穩定，下游河道足夠長。試驗采用正態、定床模型（部分動床），模型比尺為1∶60，見圖2～3。

2.3試驗結果

上游圍堰入水口處水流平順，流速分布均勻，在10 a一遇洪水流量下（Q=6 375 m3/s），平均流速約為4～6 m/s。水流進入河床束窄范圍后，受左岸地形和右岸一期圍堰轉角影響，水流流速增大，束窄河床段主流沿河道中心偏左，在Q=6 375 m3/s流量下，入口處流速增至約7.5 m/s；進入圍堰直段范圍后流速沿程逐漸降低至約5.5 m/s。在下游出水口處，由于水流受到左岸岸坡的頂托作用，主流緊貼河道左岸，岸坡處水面壅高，水面比降增大，水面波動劇烈并產生漩渦；在Q=6 375 m3/s流量下，左岸岸坡最大流速約7.5 m/s。水流離開河床束窄段后在右側岸坡產生了回流，回流流速小于2 m/s，主流位于河道左岸，流速分布較為均勻，設計流量下整體平均流速為 5～6 m/s。流速分布情況如圖4所示。

3束窄河床施工導流設計

一期圍堰整體呈“C”字形布置于右岸，圍堰上下游與右岸國道連接，形成完整的施工通道。上游側靠近泥石流溝溝口，為避免泥石流影響，一期圍堰上游側堰頭基本與國道垂直相接，避開了泥石流溝口。下游側靠近河道拐彎處，為避免河道束窄影響出口的流速流態，一期圍堰下游側堰頭布置于拐彎處河道右岸，距離壩軸線約295 m，充分保證了一期束窄河床出口流速流態的均勻分布，減少了兩岸的沖刷。

一期圍堰縱向段河床較為順直，河床寬度較窄，結合左岸束窄河床的束窄要求，同時考慮一期基坑施工需要，一期圍堰縱向段整體沿河床走向布置，原始河床平均束窄約40%，同時滿足了左岸河床過流及基坑施工要求。一期圍堰縱向段轉折后順接上下游側堰頭。

該工程塊石嚴重缺乏，難以采用大面積塊石拋填或碼放防護。結合模型試驗成果，一期圍堰迎水側坡面上部采用鋼筋石籠防護，下部采用高合金網兜防護。可研階段，束窄河床拐彎段采用防淘墻+單層合金網兜防護。技施階段，結合實際施工條件，束窄河床拐彎段采用雙層合金網兜防護，其余區域仍為合金網兜防護。一期土石圍堰典型剖面如圖5所示，實際施工面貌如圖6所示。

4圍堰運行成果分析

沙坪一級水電站一期導流圍堰經歷了一個主汛期，迎水側坡面共12處表層單個合金網兜發生網面破壞，導致內部較小粒徑塊石流失，其他均未產生破壞（圖7）。二期截流后，縱向土石圍堰迎水側水位較低，可觀察底部合金網兜防護情況。經整體查看，一期圍堰迎水側坡面合金網兜未發生較大面積破壞（圖8）。局部碼放不到位的合金網兜整體形態較差，但可明顯觀察到一期坡面受水流沖刷后，帶動附近合金網兜產生部分變形，使合金網兜適應了該區域的流速流態，防護了合金網兜內部堰體。按要求碼放的合金網兜區域，無渣料掛于合金網兜坡面，合金網兜從高到低相互疊壓整齊，幾乎未受影響。綜合以上可以看出：一期土石圍堰迎水側水流流速較大，沖刷較嚴重；相互疊壓的合金網兜經受住了洪水的沖刷，起到較好防護作用。

5結論

（1） 導流期間，束窄河床范圍內流速及流態情況基本與導流模型試驗成果接近，流態復雜、流速較大位置均位于一期圍堰上下游轉角位置堰腳處。模型試驗對實際施工起到了良好的指導作用。

（2） 經水工模型成果分析，沙坪一級水電站“S”形河床一期導流圍堰設計針對流態復雜、流速較大部位進行了重點防護，克服了缺乏塊石的困難，采用高合金網兜進行防護，圓滿完成了一期導流階段的防護任務。

（3） 一期圍堰表面掛渣和堰腳沖刷情況充分說明了束窄河床導流位于堰腳處的沖刷較大，同時一期坡面運行情況良好，也反映出合金網兜起到了較好的防護作用。

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（編輯：高小雲）