大沙壩水電站施工汛期導(dǎo)流壩面過水設(shè)計研究

黃立群，楊炳桂，嚴(yán)烈冰，何 力

（1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明650021；2.中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司科學(xué)研究分院，云南 昆明 650101）

1 工程概況

大沙壩水庫位于西雙版納西南部的瀾滄江一級支流南臘河流域內(nèi)，水庫上游是國家自然保護(hù)區(qū)，總庫容6 800萬m3，裝機(jī)容量5 600 kW，屬三等中型水庫，主要建筑物為3級，水庫具有灌溉、發(fā)電和防洪等綜合利用功能。水庫地處低緯度、低海拔地區(qū)，地層屬于老第三系軟質(zhì)巖，巖性主要為長石石英砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。樞紐建筑物由大壩、灌溉發(fā)電 （兼導(dǎo)流）輸水隧洞和溢洪道組成。大壩為粘土心墻堆石壩，最大壩高39.9 m，壩頂長176.6 m，寬6 m，大壩上、下游坡比相同，其中上部為1∶1.8，下部為1∶2；心墻頂寬5 m，底部最大寬28.4 m，心墻上、下游坡比均為1∶0.3，在心墻上、下游面各設(shè)有3層反濾層，每層均厚0.6 m。壩址以上流域面積為910 km2，多年平均年徑流量5.12億m3，水庫流域暴雨集中、強(qiáng)度大，汛期時洪水量大峰高。因此，水庫施工度汛是設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。

大沙壩水庫流域具有干濕分明、降水量集中的特點(diǎn)以及地質(zhì)條件成洞差等因素，故施工導(dǎo)流應(yīng)考慮盡量減小隧洞的洞徑并充分發(fā)揮隧洞的作用。水庫施工導(dǎo)流方案是枯期采用灌溉發(fā)電輸水隧洞與導(dǎo)流相結(jié)合，洪水標(biāo)準(zhǔn)為枯期10年一遇，設(shè)計洪峰流量67.5 m3/s，由導(dǎo)流確定隧洞洞徑；汛期采用壩面與導(dǎo)流隧洞聯(lián)合過流泄洪，洪水標(biāo)準(zhǔn)為汛期20年一遇，設(shè)計洪峰流量1 140 m3/s，其中，壩面過水設(shè)計流量為1 036 m3/s。通過計算，壩面過水時壩體填筑高度為11.5 m，壩頂高程651.5 m，壩面過水最大流速2.96 m/s，需采取保護(hù)措施：①在上游壩坡坡面650～651.5 m高程采用塊石保護(hù)；②過水壩面采用0.5 m厚大塊石保護(hù)；③下游壩腳堆石棱體頂高程652 m，略高于過水壩面，棱體外包漿砌塊石保護(hù)，并且在壩腳3 m范圍內(nèi)堆置鋼筋籠護(hù)腳；④在左右兩岸邊坡高程651.5～657 m范圍內(nèi)噴混凝土保護(hù)，由于左岸地質(zhì)條件較差，在左岸邊坡上、下游進(jìn)出口處采用鋼筋籠防護(hù)。水庫施工導(dǎo)流度汛平面布置見圖1。

圖1 施工導(dǎo)流度汛平面布置示意（單位：m）

2 試驗(yàn)?zāi)康呐c模型設(shè)計

工程施工汛期采用壩面與導(dǎo)流隧洞聯(lián)合過流泄洪。通過模型試驗(yàn)，找出不利于過水壩面的安全控制因素，并提出過水壩面、左右岸坡、下游壩坡和基坑的保護(hù)措施，確定下游壩坡溢流面的輪廓體型，觀測壩面過水時上游基坑予以沖水保護(hù)的要求，以及其他不利因素的控制措施。

水流主要受重力作用，按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計模型。經(jīng)過計算比較，選定的模型比尺為1∶30的正態(tài)模型。主要水力參數(shù)比尺：幾何比尺λL=30；流量比尺 λQ=λL5/2=4 929.503； 流速比尺 λv=λL1/2=5.477 2；時間比尺 λt=λL-1/2=0.182 6； 壓力比尺 λp=λL=30； 糙率比尺λn=λL1/6=1.762 7。河床糙率n=0.035，壩面糙率n=0.03，相應(yīng)的模型糙率分別為0.019 86、0.017，實(shí)際模型糙率為0.014左右。考慮在壩的下游沖刷區(qū)預(yù)留動床，回填沖料，沖料粒徑按河道沖刷流速V=3 m/s，經(jīng)計算模型粒徑Dm=6～12 mm，實(shí)際采用Dm＜15 mm的河沙。

3 試驗(yàn)成果及研究分析

3.1 壩面泄流能力

由于受左岸溢洪道出口山體阻水的影響，試驗(yàn)實(shí)測的下游水位值比設(shè)計計算值偏高。例如泄流量Q=1 036 m3/s時，下游圍堰處實(shí)測水位比設(shè)計值高0.39 m，溢洪道出口處也高1.48 m。如果下游水位偏高，那么過壩水流的落差將減小，水墊層則加厚，可減輕水流對下游河道的沖刷，是有利因素。其他代表性泄流量的實(shí)測值和計算值比較結(jié)果見表1。壩面過水流量系數(shù)m=0.251～0.397。

表1 壩面過水流量、上下游水位關(guān)系以及流量系數(shù)

模型采用水泥砂漿抹面，實(shí)際的模型糙率 （0.014左右）小于河床 （0.019 86）和壩面 （0.017）的相應(yīng)糙率?？箾_是壩面保護(hù)的重要條件，如果糙率偏小，測得的水深偏低，相應(yīng)的過流能力偏小，但流速反而偏大。在過壩面流量350～1 036 m3/s時，實(shí)測水深為2.76～4.89 m，按相應(yīng)模型糙率反演水深為3.08～5.49 m，高于實(shí)測水深0.32～0.6 m。由此可知，試驗(yàn)實(shí)測水深偏低，誤差在12%左右，相應(yīng)壩面過流量偏小，誤差在17%左右。故增加兩岸邊坡的保護(hù)高度可以提高壩面的過流能力。

右岸隧洞全長399 m，圓形內(nèi)徑3.6 m，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高程647.5 m，出口底板高程647.16 m。庫區(qū)4月下旬進(jìn)入汛期，當(dāng)H上≤651.14 m （即低于上游圍堰）時，導(dǎo)流洞為無壓流，Q隧導(dǎo)≤25.17 m3/s；隨著上游來水的逐漸加大，當(dāng)上游水位逐步高于651.5 m時，壩面與導(dǎo)流隧洞開始聯(lián)合過流，當(dāng)H上=654～656.5 m 時， Q隧導(dǎo)=47.5～57.5 m3/s， 由于水頭不高，隧洞過流量變化不大，只占相應(yīng)壩面過流量的13.55%～5.55%，故施工度汛主要以壩面泄流為主。

3.2 過壩水流的流態(tài)

壩體上游右側(cè)接近河床彎道，左岸岸坡伸入庫中，來流受彎道及岸坡的影響，在上游圍堰處，主流靠近左岸，從實(shí)側(cè)流速分布上看，左岸流速大于右岸。在上游圍堰前，漲水和過流都有一個過程，水流開始越過上游圍堰時比較緩慢，上游基坑充水是一個漸進(jìn)的過程，當(dāng)基坑內(nèi)的水位逐漸升高至過水壩面的頂部高程651.5 m后，壩面開始過水，水流至壩末堆石棱體處，受堆石棱體頂部的阻擋，水位繼續(xù)雍高，當(dāng)水位超過堆石棱體高程652 m后，下游壩面開始溢流。

下游壩面泄流時，受上游左岸邊坡的影響，壩面主流靠中、右部位，壩面左側(cè)形成靜水區(qū)。水流在2～4號斷面間較為平順，無紊亂現(xiàn)象，過4號斷面后，水面坡降加大，水流逐漸加速。因河道左岸地質(zhì)條件較差，筑壩時左岸開挖較多，而河床靠近右岸。因此，距壩軸線下游43～49 m壩面左岸收縮較大，壩面寬度由117 m急劇縮窄至79 m，在堆石棱體外緣 （6號出流斷面）處，溢流寬度僅有64 m，水流受到擠壓，加上水流溢流收縮，6號斷面處水流坡降及流速迅速增大。過堆石棱體后，水流順其壩坡流入下游河道。開始泄流時，下游基坑內(nèi)無水，溢流水頭較大，高差約7 m，壩腳處流速約9.4 m/s。隨著泄流量的增加，基坑內(nèi)的水位因下游圍堰的阻擋而很快升高，從壩面溢流下的水流潛入下游河床，并向上翻滾，呈漩滾狀，表現(xiàn)為底流消能。漩滾位置隨泄流量的大小而變化，流量愈大，漩滾愈往下游移動。水流越過下游圍堰后仍為急流。

3.3 過壩水流沿程流速分布

在下泄流量為1 036 m3/s時，過壩水流流速分布見圖2。可知：粘土心墻范圍的流速大部分在3 m/s以下，符合設(shè)計要求。水流經(jīng)過粘土心墻以后，逐漸加速，當(dāng)流至堆石棱體時，雖然流程只有47.31 m，但流速比4號斷面的增加一倍以上。

3.4 水面線及壓力分布

根據(jù)試驗(yàn)可知，在堆石棱體前的壩面水流比較平順，左、中、右水深差較小。從1號到4號斷面的水面坡降較小，當(dāng)泄流量為350～1 036 m3/s時，平均坡降為0.155%～0.382%。在4號～6號斷面水面坡降開始增大，平均坡降為3%～4.1%。表2列出了泄流量為1 036、350 m3/s時實(shí)測各斷面的水深和流速情況，其中，V為斷面平均流速，Vd為斷面平均底流速，VOd為O-O線處底流速。

壩面泄流量分別為1 036、900、760、350 m3/s時，實(shí)測壩面沿程壓力分布均為正壓，最大壓力為43.66 kPa（Q=1 036 m3/s），壩面上的壓力隨著泄流量的增加而增大。堆石棱體下游壩坡的壓力分布見圖3，由此可知：在棱體頂部壓力為負(fù)壓 （此處為折線聯(lián)結(jié)，水流脫流所至），最大負(fù)壓為-12.3 kPa（Q=1 036 m3/s，在棱體右側(cè)）。其他部位的壓力均為正壓，并且壓力值隨著位置的降低而增大，壩腳處最大壓力值為84.5 kPa（Q=1 036 m3/s，在壩腳右側(cè)）。

圖2 過壩水流沿程底流速分布示意（單位：高程/m、流速/m·s-1）

4 過水壩面的輪廓修改和保護(hù)措施

4.1 過水壩面的體型研究

表2 各斷面平均水深和流速分布

過水壩面的體型影響水流的流速及水深。由表2可知，壩面泄流量在350～1 036 m3/s時，1號～4號斷面的平均流速、平均底流速分布較均勻，大部分在設(shè)計允許的流速2.96 m/s范圍以內(nèi)，但2號斷面的某些部位流速較大，故上壩肩中、左部位應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。在壩末堆石棱體處，流速增大，最大流速達(dá)6.19～10.71 m/s；壩面溢流與下游水位交匯處以及壩腳的流速亦較大，交匯處V=5.69～8.4 m/s，壩腳處V=6.42～8.3 m/s，故堆石棱體、下游壩坡和下游坡腳是壩面過水重點(diǎn)保護(hù)的部位。應(yīng)設(shè)法降低重點(diǎn)保護(hù)區(qū)的流速，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計得到最終方案 （見圖4）：壩面過水輪廓基本與設(shè)計原方案相同；堆石棱體垂直水流向的寬度仍為64 m，在距壩軸線的下游14m處增加緩沖坎 （高0.6 m、寬0.5 m）以便降低3號、4號斷面壩面流速 （保護(hù)心墻頂）；壩末堆石棱體頂部向下游伸展6 m，下游壩坡修改為階梯形狀，階梯尺寸為寬2 m、高1 m、外緣連線坡度為1∶2。修改后壩面及堆石棱體的流速比設(shè)計原方案有所降低，最終方案壩面流速分布見表3。

圖3 過水壩面壓力分布示意（單位：kPa）

表3 各斷面平均水深和流速分布 （最終方案）

4.2 保護(hù)措施

4.2.1 上游壩肩

上游壩坡 （上壩肩）在650～651.5 m高程仍用塊石防護(hù)，通過流態(tài)觀測，在650 m高程以下采用預(yù)充水保護(hù)。護(hù)面塊石大小 （粒徑）可按工程設(shè)計中廣泛采用的蘇聯(lián)伊茲巴士公式

式中，V為斷面平均流速；Y為穩(wěn)定系數(shù)；s為塊石容重；γ為水容重；Ds為塊石化引直徑；α為下游壩坡坡度；g為重力加速度。最終方案試驗(yàn)中，2號斷面 V=2.07～3.99 m/s代入式 （1） 得到 Ds=10～31 cm。上壩肩中、左部位的塊石化引直徑為63 cm，相當(dāng)于要用50 cm×50 cm×50 cm塊石保護(hù)。

4.2.2 下游壩肩、壩坡、壩腳

下游壩肩、壩坡、壩腳是壩面過水的保護(hù)重點(diǎn)部位。下游壩腳堆石棱體坡比為1∶1.5，設(shè)計擬用厚0.5 m的漿砌塊石保護(hù)。在試驗(yàn)過程中，對漿砌塊石和鋼筋籠兩種保護(hù)方式進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

圖4 沿程壩體過流面輪廓修改前后縱剖面

（1）漿砌塊石保護(hù)。模型試驗(yàn)時，保護(hù)模擬是不相似的，僅能將設(shè)計初擬保護(hù)塊石按比例縮制成1.7 cm×1.7 cm×1.7 cm的混凝土塊，干砌在下游壩坡上，定性觀看在什么水位和流量下被沖毀，試驗(yàn)結(jié)果偏于安全。從試驗(yàn)得知，當(dāng)H上=653.06 m，Q=74 m3/s時，在下游壩坡上干砌的混凝土塊即被沖跨。若按原設(shè)計方案試驗(yàn)，在6號斷面處用式 （1）計算的防護(hù)塊石化引直徑為0.51～2.56 m，在施工中有一定的難度，不予采納。

（2）鋼筋籠保護(hù)。模型試驗(yàn)時，首先將鋼筋籠防護(hù)的階梯做成定床，施測各階梯上及與兩岸岸坡交接處的流速分布；然后根據(jù)鋼筋籠的尺寸，按比例縮制成5 cm×5 cm×3.3 cm的鐵鋼砂混凝土塊。模型基本符合重力相似，幾何比尺λL=30，重力比尺λG=67 500。縮制的鐵鋼砂混凝土塊干砌在下游壩坡上，定性觀看在什么水位和流量下混凝土塊被沖跨。經(jīng)試驗(yàn)，擬定鋼筋籠尺寸為1.5 m×3 m×1 m，每籠寬3 m （水流方向），鋼筋籠布置見圖5。

圖5 下游壩坡鋼筋籠防護(hù)示意（高程：m；尺寸：mm）

5 結(jié)語

本文介紹了大沙壩水電站施工汛期導(dǎo)流方式，由于水庫流域暴雨集中、強(qiáng)度較大，汛期洪水量大峰高，故采用壩面與導(dǎo)流隧洞聯(lián)合過流泄洪的方案。通過壩面過水模型試驗(yàn)，依據(jù)水流速度和水深，對過水壩面體型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并據(jù)此提出了壩面過水保護(hù)的措施，可供類似工程參考借鑒。

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