明渠截流龍口型式對龍口流速分布影響試驗(yàn)研究

謝春航 董 渝

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

0 問題由來

我國今年來已由河流規(guī)劃開發(fā)階段進(jìn)入水電建設(shè)高峰期，隨著水電開發(fā)不斷發(fā)展，其開發(fā)難度遞增的同時施工過程中會出現(xiàn)諸多技術(shù)問題[1]。截流通常包括平堵法和立堵法，而隨著施工自動化的發(fā)展，現(xiàn)代截流更多采用立堵法進(jìn)行。而對于分期導(dǎo)流的工程，尤其是采用明渠分期導(dǎo)流的工程而言，由于明渠地板光滑，加糙難度較大，拋投石料不易站穩(wěn)，導(dǎo)致其難度[2]與施工強(qiáng)度也不斷加大[3]。因此如何利用現(xiàn)有技術(shù)及施工強(qiáng)度，使高流速、大落差的明渠截流順利進(jìn)行，具有重要的研究意義。

1 工程概況

某工程采用明渠導(dǎo)流、主體工程分三期施工的分期導(dǎo)流方案。導(dǎo)流明渠布置在右岸灘地上，明渠底板高程為982.00m。明渠截流采用河床4孔泄洪閘分流，其泄洪閘堰頂高程為994.00m。溢流壩堰頂與明渠底板高差為12m。截流中需龍口束窄到一定程度，待上游水位壅高后泄洪閘方能過流。

工程初擬在11月上旬預(yù)進(jìn)占，11月中旬截流，由于在非汛期上游電站正值滿機(jī)組發(fā)電期，此時電站下泄流量不受干流天然來水影響，完全由電站運(yùn)行工況決定，故選取試驗(yàn)截流流量為500m3/s及800m3/s。由于泄洪堰頂與明渠底板高差較大，導(dǎo)致合龍過程中龍口上下游最大水位差高達(dá)10余米。同時施工現(xiàn)場所備天然截流材料抗沖流速接近3～5m/s，而合龍過程中龍口最大流速較高，導(dǎo)致明渠截流困難。因此需要對單戧堤布置方式及戧堤軸線進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，以達(dá)到順利截流的目的，同時滿足工程經(jīng)濟(jì)性的要求。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

模型以重力相似準(zhǔn)則為主同時兼顧運(yùn)動相似準(zhǔn)則，模擬范圍從壩軸線以上700m至壩軸線以下800m，以壩軸線為基準(zhǔn)，將0-500m至0+600m的河床做成動床，其余部分設(shè)計(jì)為定床，且考慮到截流材料的比尺效應(yīng)，方便截流試驗(yàn)截流材料的選取，將模型比尺1:50。根據(jù)現(xiàn)場情況確定戧堤頂部高程1008.00m，頂部寬度30m，最大堰高32m，戧堤坡度根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧纤滦葜菇谴_定，坡度為1:1.5。

截流戧堤布置進(jìn)行兩種方案對比，各方案體型圖如圖1所示。方案1戧堤布置如圖1（a），戧堤布置在壩軸線上游230m處，戧堤軸線與明渠軸線垂直，以保證在上游電站調(diào)節(jié)迅速合龍，減小對上游電站的影響；方案2戧堤布置如圖1（b），戧堤布置在明渠入口處的河床上，并保留部分二期圍堰，形成曲線戧堤。

截流主要以戧堤上挑角快速推進(jìn)，在戧堤中后部形成回水區(qū)，戧堤中部及下挑角逐漸推進(jìn)方式進(jìn)行，以減小截流材料流失率。截流中根據(jù)各方案流速分布的規(guī)律，采用多階段進(jìn)占方式，對每一階段的拋投料進(jìn)行詳細(xì)劃分，并在不同時間和空間上采用不同拋投料，以保證截流的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 戧堤布置圖

3 水流流態(tài)及流速分布

3.1 直線戧堤方案

本方案戧堤布置在明渠內(nèi)部。戧堤軸線與明渠軸線垂直，使水流較為順直地進(jìn)入龍口，達(dá)到使龍口流速分布均勻的目的。同時減短戧堤軸線長度，達(dá)到減少大粒徑截流材料用量和合龍時上游梯級電站控泄時間，加速截流。戧堤布置在距壩軸線上游200m處,預(yù)進(jìn)占戧堤推進(jìn)距縱向?qū)?0m處形成龍口，隨后通過上游梯級電站調(diào)控截流流量，進(jìn)行截流。當(dāng)龍口寬度為30m推進(jìn)至龍口寬度15m時，進(jìn)入截流困難時期，這段時期內(nèi)戧堤推進(jìn)難度加大。該工程溢流壩壩頂高程較高，過水建筑物分流條件差，使得龍口落差和流速較大。進(jìn)入龍口寬度15m之后，隨著分流建筑物分流流量增大，龍口流量隨之減小，同時部分流失料墊高龍口下游，使龍口落差減小，龍口流速隨之降低。

該方案由于戧堤與明渠軸線垂直，龍口處水流流線與戧堤接近垂直，同時導(dǎo)墻側(cè)橢圓形回水區(qū)對明渠中水流壓縮影響較小，其戧堤中軸線處，靠戧堤側(cè)流速與靠導(dǎo)墻處流速接近，流速分布較為均勻。進(jìn)入截流困難期前，水流較為順直。由于戧堤與導(dǎo)墻影響所形成較為細(xì)長的反“k”狀流態(tài)，主流在明渠中擴(kuò)散范圍較大。隨著戧堤推進(jìn)，所形成剪刀狀水流靠近導(dǎo)墻側(cè)壁面，其主流流速擴(kuò)散均勻時間及距離較長。500m3/s流量下戧堤軸線處龍口流速隨龍口寬度變化見圖2，由圖中可以看出龍口兩側(cè)流速分布較為均勻，但其平均流速很大，在龍口寬度達(dá)到30m時，其天然大石塊已無法穩(wěn)定，換之采用人工四面體料進(jìn)行截流。龍口處最大流速出現(xiàn)在龍口寬度為15m時，達(dá)到9.42m/s。截流過程中，進(jìn)入截流困難期前，龍口水流橫向擴(kuò)散較慢，在龍口寬度40m后，隨著沖擊淺灘的形成，水流擴(kuò)散區(qū)長度減短與方案1后期擴(kuò)散區(qū)長度相當(dāng)。由于部分D料被沖刷到下游，明渠糙率增大，龍口下游水流紊動強(qiáng)烈，明渠內(nèi)流速急劇衰減。

圖2 直線戧堤龍口流速分布

3.2 曲線戧堤方案

該方案戧堤將移動至明渠入口外部河床上，戧堤繞過導(dǎo)墻，與二期圍堰剩余段相接，最后形成曲線戧堤。戧堤進(jìn)占前期水流流態(tài)與方案1類似，但隨著戧堤阻擋住明渠入口，水流繞戧堤形成“s”狀水流，利用龍口斷面水流流速不均勻分布的特點(diǎn)，S形內(nèi)側(cè)水流流速較小，而外側(cè)流速較大，外側(cè)水流沖刷二期戧堤剩余段加固體與導(dǎo)墻。該方案形成曲線形戧堤，在戧堤轉(zhuǎn)彎形成龍口后，戧堤前端會形成較大回流區(qū)。合龍過程中，戧堤軸線與明渠軸線接近平行，在截流前期，由于水流在龍口形成繞流，外側(cè)流速較大。進(jìn)入截流困難期后，隨著龍口寬度的束窄，龍口水流流速呈現(xiàn)均勻化，戧堤側(cè)流速與導(dǎo)墻側(cè)流速大致相等。龍口后水流所形成的剪刀狀流態(tài)靠近戧堤一側(cè)。戧堤轉(zhuǎn)彎后，水流束窄后，集中在戧堤與導(dǎo)墻之間，水流不能及時擴(kuò)散，水流擴(kuò)散區(qū)在完成水流“s”形轉(zhuǎn)彎后的明渠內(nèi)。650m3/s流量下戧堤軸線處龍口流速隨龍口寬度變化見圖3，從圖中可以看出，在龍口寬度15m前，外側(cè)流速均大于內(nèi)側(cè)流速。但隨著龍口縮窄，龍口流速均勻化，在龍口寬度15m處，此時靠戧堤側(cè)流速達(dá)到最大值，為7.02m/s。截流流失料集中在戧堤與導(dǎo)墻之間，墊高了河床，使河床與明渠之間形成二次跌水，分級降低落差。但龍口后到明渠入口處由于水流無法擴(kuò)散，對戧堤內(nèi)側(cè)坡腳沖刷嚴(yán)重，需要在進(jìn)占截流的同時進(jìn)行護(hù)坡。

相比于前兩種方案，由于戧堤軸線的改變，使龍口靠戧堤側(cè)水流流速減小，使截流困難期時間縮短，同時減少人工截流四面體D料的使用量，避免了導(dǎo)流明渠導(dǎo)墻側(cè)形成的橢圓形回水區(qū)對龍口水流過流斷面的壓縮。同時其所形成的剪刀狀流態(tài)靠近導(dǎo)墻一側(cè)，避免了其所形成的水舌對戧堤的侵蝕。

圖3 曲線戧堤龍口流速分布

3.3 流速比較分析

對比兩個方案戧堤軸線處最大流速與最小流速隨著龍口寬度變化圖，由圖4可以看出曲線戧堤在龍口寬度為15m前，其最大流速大于方案，同時其最小流速也小于直線戧堤。但龍口寬度在進(jìn)入15m后，龍口處水流流速受到龍口束窄和下游沖積灘形成的影響，流速均勻化，此時兩個方案平均流速相近。但由于此時溢流壩開始過流，龍口流量減小，使得截流難度相對于30～20m推進(jìn)時減小。而對于方案3流速變化，由圖4可以看出，在進(jìn)入截流困難期前，方案3外側(cè)流速增加較大，隨后增加緩慢，在截流困難期時流速較大，而靠戧堤側(cè)流速隨著龍口寬度的變化增大，其速度變化率相對接近。與曲線戧堤相比直線戧堤方案在進(jìn)入截流困難期前流速增加較快，而進(jìn)入截流困難期后，直線戧堤靠戧堤側(cè)仍保持較大流速。

3.4 方案對比及優(yōu)化

對各方案靠戧堤側(cè)流速及使用材料對比，曲線戧堤合龍階段總流失率最小，主要原因是龍口形成的“s”形水流，使得龍口處水流在戧堤與導(dǎo)墻的相互作用下，龍口水流流動阻力和龍口處水力損失增加。同時“s”形水流外側(cè)流速較大，而其靠戧堤側(cè)流速較小，同時上游挑角處的人工四面體材料在戧堤中軸線附近形成了回流區(qū)，減小了截流材料的流失。而在“s”段轉(zhuǎn)彎末端，由于流失料的堆積，加快了主流的橫向擴(kuò)散，主流的紊動能與紊動耗散率較大。

但曲線戧堤占據(jù)了部分溢流壩前河床，影響溢流壩過流，同時由于龍口下游大流速水流無法及時擴(kuò)散，導(dǎo)致試驗(yàn)中戧堤轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)受到?jīng)_刷，截流困難期內(nèi)分段流失率較大，而直線戧堤進(jìn)入截流困難期后，由于戧堤軸線與龍口主流垂直相交，在戧堤中下部形成一定范圍的回流區(qū)，但由于進(jìn)入截流困難期后上挑角流速較大，導(dǎo)致上挑角處人工四面體用量及流失率較曲線方案大，同時其總流失率也較曲線方案增大。

綜上所述，曲線方案由于其截流水力學(xué)指標(biāo)及龍口水流的紊動耗散率均優(yōu)于直線戧堤方案，同時曲線方案流失率較小，將其作為推薦方案。但由于龍口轉(zhuǎn)彎處水流無法充分?jǐn)U散，導(dǎo)致進(jìn)入截流困難期后曲線方案的分段流失率增大現(xiàn)象，此時需要在戧堤進(jìn)占同時，對戧堤轉(zhuǎn)彎段坡腳采取提前進(jìn)行加固防護(hù)措施，減小其對戧堤內(nèi)側(cè)坡腳的沖刷。

4 結(jié)語

筆者通過對水工模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比后，得到以下結(jié)論：

（1）對于高流速大落差的明渠截流而言，需要充分利用現(xiàn)場地形和建筑物，使龍口靠戧堤側(cè)流速減小，以降低截流材料流失率，增加工程經(jīng)濟(jì)性。

（2）截流過程中需要關(guān)注戧堤變化，對于戧堤側(cè)流速較大處，需要采用大粒徑拋投材料進(jìn)行預(yù)保護(hù)，保證截流順利進(jìn)行。

（3）對于寬明渠截流而言可以采用曲線形戧堤布置，利用水流離心力作用，使水流在上挑角形成繞流，降低其水力學(xué)指標(biāo)，達(dá)到降低截流難度的目的。

［1］肖煥雄.施工水力學(xué)[M].水利電力出版社，1992，6.

［2］馬旭東，戴光清，等.西藏藏木水電站明渠截流戧堤軸線試驗(yàn)研究[J].四川水力發(fā)電，2009，28(2):91-94.

［3］肖煥雄，任春秀.三峽工程明渠截流水力學(xué)指標(biāo)及截流方式分析[J].中國三峽建設(shè)，2012，10:18-19.