工程明渠提前截流方案及水力學(xué)試驗(yàn)研究

劉海燕

(遼寧省阜新市彰武縣水利局，遼寧 阜新 123200)

?

工程明渠提前截流方案及水力學(xué)試驗(yàn)研究

劉海燕

(遼寧省阜新市彰武縣水利局，遼寧 阜新 123200)

為保證彰武縣水庫導(dǎo)流明渠工程截流成功，文章通過水力學(xué)及水工模擬試驗(yàn)，通過工程各項(xiàng)水力參數(shù)指標(biāo)驗(yàn)證了其截流設(shè)計(jì)方案的可行性，并對(duì)試驗(yàn)中所存在的問題進(jìn)行了分析探討，提出了降低工程截流風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策建議和工程截流推薦方案，為工程的順利實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)。

導(dǎo)流明渠；截流方案；截流試驗(yàn)；相關(guān)分析

1 概 述

彰武縣是遼寧西北部的一個(gè)縣城，全縣面積為3635km2，全縣總?cè)丝?1.86萬人，其中農(nóng)業(yè)人口34.67萬人。全縣自西向東分布著繞陽河、柳河、養(yǎng)息牧河和秀水河四大河流水系，其中：繞陽河流域面積923.6km2，建有小型水庫8座；柳河流域面積935.9km2，建有小型水庫15座，中型水庫1座，大型水庫1座；養(yǎng)息牧河流域面積1524.6km2，建設(shè)有小型水庫15座，中型水庫1座；秀水河流域面積250.9km2，建有小型水庫4座，以上四大流域共建大、中、小型水庫45座，其中省管大型水庫1座(鬧德海水庫)，地方管理的中小型水庫44座，其中中型2座，小型水庫42座。

這些水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩高在4.5-23.5m，壩長在48-1850m，這些水庫大多數(shù)為20世紀(jì)50—60年代修建，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工條件以及水庫建成后，長期運(yùn)用，年久失修，大部分帶病險(xiǎn)運(yùn)行，為了保障水庫發(fā)揮灌溉和防洪效益，每年在到汛期前對(duì)水庫明渠都采取臨時(shí)導(dǎo)流措施，以保證水庫汛期安全。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將河床地形地質(zhì)、圍堰結(jié)構(gòu)等因素綜合考慮進(jìn)去，將龍口設(shè)置在河床中部，以保證截流前河水能夠順暢通過龍口下泄。節(jié)流所采用的拋投材料為：

石渣：0.1m<原型粒徑<0.3m；

中石：0.3m<原型粒徑<0.7m；

大石：0.7m<原型粒徑<1.0m；

特大石：1.0m<原型粒徑1.2m。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

流量不同的情況下，截流試驗(yàn)中相關(guān)的水力學(xué)參數(shù)如表1。

特大石截流材料抵抗水流沖刷的流速可以通過依茲巴士公式求得：

(1)

式中：γ1為塊石容重，t/m3，取γ1=2.5t/m3；γ為水流容重，取γ=1.03t/m3；D為塊石當(dāng)量直徑，m；k為塊石重量，kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，特大石截流材料抗水沖流速v為7.68m/s，但901m3/s工況下最大點(diǎn)流速為7.82m/s，可見石塊在水流作用下啟動(dòng)正常，所以坍塌現(xiàn)象并非偶然；而268(無護(hù)底)m3/s、268(護(hù)底)m3/s、385(設(shè)計(jì))m3/s、385 (比較)m3/s和600m3/s工況下整體水力參數(shù)明顯低于901m3/s，故其坍塌程度要輕于901m3/s。

假設(shè)坍塌發(fā)生前堤頭前沿的邊坡角為α1，坍塌后邊坡角為α2，堤頭坡腳的沖刷深度為△H，戧堤堤高為H，堤寬B，則可以通過建立截流戧堤坍塌模型求得坍塌長度L和坍塌高度h：

L=H×ctanα2-H×ctanα1

(2)

h=(H+△H)[]

(3)

表1 截流方案主要水力參數(shù)

從表1可見，本水庫導(dǎo)流明渠工程龍口落差、平均流速等水力學(xué)指標(biāo)均較高，各工況普遍存在拋投料流失現(xiàn)象，試驗(yàn)中的拋投進(jìn)占方式統(tǒng)統(tǒng)采用上挑腳方式，設(shè)定拋投強(qiáng)度為300m3/h，特殊工況下的拋投強(qiáng)度為350m3/h。試驗(yàn)過程中左戧堤裹頭處沖刷嚴(yán)重且發(fā)生大規(guī)模坍塌，坍塌主要是由水流作用引起，即水流沖刷左岸戧堤下游的角坡裹頭并造成上陡下緩進(jìn)而引起推動(dòng)式?jīng)_刷，將裹頭內(nèi)部小塊石沖走進(jìn)而引發(fā)牽引式坍塌。

經(jīng)過計(jì)算，600m3/s工況的坍塌長度L為4.0m，高度h為6.2m，這與實(shí)際坍塌情況基本相符，經(jīng)過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，通過延長裹頭長度(延長至7m)或增大裹頭材料粒徑(增大至1.5m)則可以有效控制坍塌的發(fā)生，還可以通過降低戧堤高程或加寬戧堤的方式降低坍塌發(fā)生的概率。

2.3 截流流量和截流方案

本工程截流難度大，比較不同流量級(jí)別下的截流難度表明，截流流量為901m3/s時(shí)，堤壩沖刷和潰堤最為嚴(yán)重，且拋投料會(huì)遇嚴(yán)重漏損。流量為268m3/s時(shí)水力學(xué)指標(biāo)均較低，且拋投料漏損較少，截流流量小，綜合比較后選取截流流量為268m3/s，雖無護(hù)底和護(hù)底水力學(xué)指標(biāo)相似，但護(hù)底施工難度較大且受龍口水力因素及沖刷影響較大，建議采用截流流量268m3/s(無護(hù)底)，該方案戧堤預(yù)進(jìn)占各區(qū)段備料及龍口合區(qū)段備料詳見表2和表3。

表2 截流戧堤預(yù)進(jìn)占各區(qū)段備料表 (工況268m3/s無護(hù)底)

表3 合龍各區(qū)段備料表(工況268m3/s無護(hù)底)

2.4 相關(guān)分析

本水庫導(dǎo)流明渠工程截流難度較大的原因在于分流條件，分流條件是決定截流落差Z和截流難度的重要變量。本工程溢洪道進(jìn)口底板高程473.0m，截流戧堤軸線主河床底高程為469.0m，低于溢洪道進(jìn)口底板，進(jìn)而降低了溢洪道的分流能力，而當(dāng)本工程龍口寬20m時(shí)，在工況268m3/s無護(hù)底下，分流比為零，分流能力處于最低水平。將試驗(yàn)結(jié)果描繪在圖中，便形成分流建筑物Z-Q曲線，如圖1所示。

圖1 分流建筑物Z-Q曲線圖 (工況268m3/s無護(hù)底)

結(jié)合水量與能量平衡算式，當(dāng)本水庫導(dǎo)流明渠工程龍口寬18m時(shí)，分流建筑物所具有的分流比為0.5，流速的平均值為2.6m/s，渠道單寬流量8.9m3/s·m，已經(jīng)大大降低截流風(fēng)險(xiǎn)。溢洪道雖為永久建筑物，但其分流能力嚴(yán)重不足，若想徹底消除截流過程的風(fēng)險(xiǎn)度，必須修建截流分水閘或泄水道，以確保截流任務(wù)順利完成。

3 結(jié) 論

綜上所述，本水庫導(dǎo)流明渠工程落差大、流速高且流量漏損大，為此必須充分準(zhǔn)備大量的特大石與鉛絲籠并做好串體拋投的準(zhǔn)備，再者雖然工程截流過程流量小，但是不能忽視截流的影響，必須做好輔助措施，即修建截流分水閘或臨時(shí)泄水道以輔助分流。

[1]聶國旺，梁日新，何奕均，等.枕頭壩電站主河床截流中的相關(guān)參數(shù)[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2012(10)：104-106.

[2]安可君.瀾滄江苗尾水電站截流模型試驗(yàn)研究[J]，水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015(01)：88-91.

[3]容曉，孟鳴，王志新.向家壩水電站工程大江截流模型試驗(yàn)研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2010(01)：91-93.

[4]向光明，甘建華，李江.黃登水電站工程截流模型試驗(yàn)研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2014(10)：121-124.

1007-7596(2017)03-0036-02

2017-02-20

劉海燕(1971-)，女，遼寧阜新人，工程師。

TV551.2；TV

B