碾盤山水利樞紐工程一期截流水文勘測技術(shù)創(chuàng)新

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

1.1 概述

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程是國務(wù)院批復(fù)的《長江流域綜合規(guī)劃》推薦的漢江梯級開發(fā)方案中的重要組成部分，是172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。工程位于湖北省荊門市的鐘祥市境內(nèi)，地處漢江中下游干流，上距規(guī)劃中的雅口航運(yùn)樞紐58km、丹江口水利樞紐壩址261km，下距興隆水利樞紐117km，是漢江中下游梯級規(guī)劃中的第5級。碾盤山水利水電樞紐工程為Ⅱ等工程，規(guī)模為大(2)型，主要永久性水工建筑物為2級建筑物，導(dǎo)流明渠、一二期圍堰為樞紐工程的臨時(shí)建筑物，級別為4級。水庫總庫容9.02億m3，調(diào)節(jié)庫容0.83億m3。電站裝機(jī)18萬kW。通航建筑物級別為Ⅲ級。工程屬于平原河槽型水庫，庫區(qū)兩岸以堤防為主，局部為崗地。樞紐為河床式電站，采用圍堰一次性攔斷河床、左岸河灘地開挖明渠導(dǎo)流方式分期施工。工程分兩期施工。一期開挖左岸導(dǎo)流明渠導(dǎo)流，廠房、泄水閘、船閘等建筑物在一期圍堰的保護(hù)下進(jìn)行施工。二期進(jìn)行左岸土石壩施工，封堵導(dǎo)流明渠，由右岸已建泄水閘導(dǎo)流。

一期截流采用上游左右岸雙向進(jìn)占單戧立堵的截流方式，戧堤預(yù)進(jìn)占階段主要從左岸進(jìn)占、右岸輔助，合龍階段以右岸為主、左岸輔助，分流建筑物為導(dǎo)流明渠。截流設(shè)計(jì)流量采用3月份P=20%的月平均流量Q20%=1110m3/s,預(yù)留龍口寬度為260m。

1.2 截流模型水力學(xué)指標(biāo)

碾盤山水利水電樞紐工程一期河床截流為淤積型覆蓋層河床截流，不僅存在覆蓋層沖刷帶來的截流風(fēng)險(xiǎn)，且存在施工期通航問題。為確保安全經(jīng)濟(jì)截流，有效解決相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題，采用1∶90截流整體模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

考慮到上游丹江口水庫的調(diào)蓄作用，截流時(shí)流量不一定達(dá)到1100m3/s。為實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)的截流目標(biāo)，試驗(yàn)緊密結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，在原地形、實(shí)測地形兩種地形邊界以及設(shè)計(jì)及實(shí)測兩種水位流量關(guān)系邊界條件下，對截流設(shè)計(jì)流量Q=1110m3/s、Q=650m3/s、Q=845m3/s、Q=1310m3/s四級流量下截流進(jìn)占過程水力特性進(jìn)行了測試及分析[1-2]。截流設(shè)計(jì)流量對應(yīng)龍口水力指標(biāo)見表1，各工況戧堤龍口段特征水力參數(shù)對比見表2。

表1 龍口段進(jìn)占截流水力特性匯總(Q=1110m3/s)

表2 各工況戧堤龍口特征水力參數(shù)對比

在實(shí)測地形及實(shí)測水位流量關(guān)系邊界條件下，在截流設(shè)計(jì)流量Q=1110m3/s時(shí)，戧堤合龍后截流總落差為1.59m，戧堤落差為1.23m，戧堤上游平均水位為41.07m；堤頭及龍中線最大流速發(fā)生在龍口寬30～15m階段，堤頭最大流速為3.92m/s，龍中最大流速為4.00m/s；整個(gè)截流進(jìn)占可用中石完成截流，無流失。

在實(shí)測地形條件下，各級流量下的截流總落差及戧堤落差規(guī)律不明顯。主要因?yàn)槊髑装甯叱虨?9.00m，介于幾級流量的下游控制水位之間，為敏感水位段，下游水位變化對明渠的分流能力影響較大。在實(shí)測地形條件下，各級流量下的左右堤頭及龍口流速，有隨流量增大而增大的趨勢。在Q=845～1310m3/s時(shí)，左右堤頭最大流速在3.45～4.08m/s間，龍口最大流速在3.28～4.00m/s間。

2 水文勘測技術(shù)突破與創(chuàng)新

通過對截流進(jìn)占過程分流建筑物分流能力、截流龍口附近水文特性指標(biāo)等進(jìn)行水文勘測，進(jìn)一步驗(yàn)證截流模型試驗(yàn)研究報(bào)告的可行性和合理性，指導(dǎo)截流施工進(jìn)度，為截流施工起到參謀作用，保障截流工程順利完成[3]。水文監(jiān)測站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 水文監(jiān)測站點(diǎn)分布

2.1 水位

在已建3個(gè)水位站(壩上、壩下、取水口)基礎(chǔ)上，新設(shè)4個(gè)比降觀測水尺斷面。龍口左右岸戧堤堤頭上、中、下各布設(shè)一個(gè)水位觀測點(diǎn)。選擇岸坡較為穩(wěn)定的地段安設(shè)水位自動記錄儀器，每5min采集一個(gè)數(shù)據(jù)，設(shè)立搪瓷直立式水尺，便于隨時(shí)校測。在龍口附近隨著龍口寬度的縮窄，采用全站儀無棱鏡直接觀測法，全站儀接測時(shí)用正倒鏡觀測，距離不宜超過600m。水尺讀數(shù)讀記至1cm，人工水位觀測頻次一般為30min，并根據(jù)截流施工進(jìn)度隨時(shí)調(diào)整，各水位觀測同步。共布設(shè)13個(gè)水位監(jiān)測站點(diǎn)，設(shè)立搪瓷直立式水尺10組，安裝水位自動記錄設(shè)備5套，全站儀水位觀測點(diǎn)3個(gè)。

2.2 流速

龍口流速是進(jìn)占過程選擇拋投料、拋投方式、戧堤防沖的重要水力學(xué)依據(jù)，也是判斷護(hù)底是否被沖的重要途徑[4]。共布設(shè)13條測速垂線，每條垂線應(yīng)提取0、0.6、0.8倍水深測點(diǎn)的流速、流向。

測點(diǎn)流速測驗(yàn)采用船載ADCP、三體船搭載ADCP定點(diǎn)測量，電波流速儀測量等方法。龍口段進(jìn)占初期采用船載ADCP定點(diǎn)、走航施測，當(dāng)龍口流速較大、落差較大時(shí)，采用牽引三體船、航標(biāo)船的方式，從上游逐步向下游施測。

走航式ADCP定點(diǎn)施測垂線流速時(shí)，經(jīng)過測試測區(qū)內(nèi)基本無走沙，均采用橡皮艇、玻璃鋼快艇施測，因測區(qū)內(nèi)走沙較為嚴(yán)重外接GPS RTK定位，采用鐵船時(shí)外接GPS羅經(jīng)。垂線流速測驗(yàn)歷時(shí)一般不少于2min，流速較大測船無法穩(wěn)定時(shí)可采用走航法，根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。電波流速儀法主要施測龍口附近各垂線水面流速，每個(gè)測點(diǎn)施測100s，儀器架設(shè)位置為龍口上游洲灘、水文測船及左岸戧堤堤頭。

2.3 流量

在分流明渠分流情況下，在明渠與河道的上游分流點(diǎn)以上合適河段布設(shè)一個(gè)流量測驗(yàn)斷面，根據(jù)現(xiàn)場水流特性在分流明渠或者龍口附近布設(shè)一個(gè)流量測驗(yàn)斷面，以分析計(jì)算分流比情況。龍口流量測驗(yàn)斷面布設(shè)位置根據(jù)現(xiàn)場水流情況調(diào)整，宜布設(shè)在龍口、龍口上、下圍堰位置。

截流開始階段，在分流明渠未分流情況下，應(yīng)在龍口附近布設(shè)一個(gè)流量測驗(yàn)斷面施測整體過水流量，斷面布設(shè)情況見圖2。

圖2 流量測驗(yàn)斷面布設(shè)

流量測驗(yàn)采用橡皮快艇搭載走航式ADCP施測，測前對聲學(xué)多普勒流速儀進(jìn)行自檢，并記錄自檢結(jié)果。ADCP外接GPS設(shè)備，外部GPS羅經(jīng)可根據(jù)實(shí)際情況選擇。施測時(shí)測船宜勻速在斷面上航行，船速盡量小于斷面平均流速。水文測驗(yàn)應(yīng)在水位較為平穩(wěn)時(shí)進(jìn)行。

2.4 分流比

分流比是判斷戧堤進(jìn)占效果的最主要指標(biāo)。本次分別在漢江干流、龍口和明渠用ADCP配合GPS進(jìn)行測流。導(dǎo)流明渠分流之前戧堤軸線過流流量主要由龍口過流量、戧堤滲流組成；開始分流后由導(dǎo)流明渠流量、龍口過流量、戧堤滲流組成；龍口合攏后由導(dǎo)流明渠流量、戧堤滲流組成。主要監(jiān)測斷面為導(dǎo)流明渠分流點(diǎn)上游漢江干流斷面、導(dǎo)流明渠斷面，根據(jù)測驗(yàn)成果計(jì)算分流比。

2.5 龍口寬度確定

根據(jù)龍口施工進(jìn)占進(jìn)度，在水文測驗(yàn)時(shí)，同時(shí)用全站儀觀測龍口寬度，用手機(jī)或?qū)χv機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 截流水文要素監(jiān)測成果分析

3.1 水文要素監(jiān)測特點(diǎn)及實(shí)測特征值

由于碾盤山水利水電工程區(qū)域內(nèi)洲灘較多，水流特征復(fù)雜，龍口上游100m處有一較大沙洲，把漢江干流來水一分為二，水流方向與戧堤軸線夾角加大，在龍口上下游附近形成漩渦，對開展水文測驗(yàn)帶來較大困難。截流進(jìn)占至龍口階段后水流湍急，水流落差大、流速大。

在2019年3月10日截流水文勘測開始至19日龍口合攏期間，漢江干流來水量最大達(dá)到730m3/s，導(dǎo)流明渠19日前最大分流量占漢江總來水量不到20%，19日14時(shí)劇增至43%，合攏后隨著圍堰的進(jìn)一步加固、防滲處理，導(dǎo)流明渠分流量逐漸加大。根據(jù)實(shí)測資料顯示龍口最大流速4.20m/s，最大截流落差為1.24m，截流落差較大、流速較高。

3.2 水位、落差變化分析

龍口進(jìn)占階段漢江來水總體較為平穩(wěn)，各水位監(jiān)測站點(diǎn)收集了比較齊全的水文測驗(yàn)成果，18日12時(shí)(龍口水面寬度70m)前上下游落差無明顯變化，隨著龍口寬度的縮窄，上下游落差逐漸加大。

3.2.1 截流總落差分析

3月18日12時(shí)(龍口水面寬度70m)前總落差較為穩(wěn)定，落差為0.35m；19日17時(shí)龍口完成合攏后，導(dǎo)流明渠分水量為50%，其余50%為滲漏水量和圍堰上游河段槽蓄量。圍堰上游河段槽蓄量逐漸加大，水位逐步抬高，19日19時(shí)落差達(dá)到峰值1.66m。20日11時(shí)導(dǎo)流明渠分流流量達(dá)到393m3/s，21日14時(shí)上下游落差逐漸減小至1.33m(見圖3)。

圖3 上下游1.5km水位過程線及落差分析

3.2.2 龍口水位落差分析

龍口水面寬度大于90m時(shí)左右岸戧堤上下游水位基本無落差。17日22時(shí)開始戧堤上游水位逐步抬高，下游水位逐漸降低，落差持續(xù)增加，龍口水面寬度14m時(shí)增大至1.25m。戧堤堤頭中線水位與戧堤堤下水位過程較為一致，堤頭中線附近形成漩渦。龍口上游有一沙洲，漢江主泓靠左，主泓水流方向?yàn)橛野稇甑?5°，對右岸戧堤沖刷較大。龍口水面寬度大于120m時(shí)，龍口附近無橫比降；龍口水面寬度在120～40m時(shí)，右岸水位略高，橫比降在0.10m以內(nèi)。龍口水面寬度在40m以內(nèi)時(shí)，橫比降消失。左右岸戧堤上下落差比較一致，均在0.05m以內(nèi)。右戧堤水位過程線及落差見圖4。

圖4 右戧堤水位過程線及落差分析

3.3 龍口流速及口門變化分析

根據(jù)現(xiàn)場定點(diǎn)流速測驗(yàn)結(jié)果，隨著龍口的縮窄流速逐漸加大，龍口水面寬度在203m時(shí)最大測點(diǎn)流速為1.50m/s；龍口水面寬度達(dá)到80m時(shí)最大測點(diǎn)流速為2.10m/s；龍口水面寬度達(dá)到60m時(shí)最大測點(diǎn)流速為2.40m/s；龍口水面寬度達(dá)到40m時(shí)最大測點(diǎn)流速為3.10m/s；龍口水面寬度達(dá)到30m時(shí)最大測點(diǎn)流速為4.10m/s。龍口附近最大流速位置為戧堤軸線距堤頭15m左右位置。戧堤軸線上游100m、下游50～200m流速變化梯度不大，比較符合現(xiàn)場的流態(tài)。

3月10日，龍口水面寬度203m，由非龍口進(jìn)占轉(zhuǎn)變?yōu)辇埧谶M(jìn)占，至14日龍口寬度從203m進(jìn)占至150m，龍口進(jìn)占速度較快；14日至16日12時(shí)因降雨停止進(jìn)占，至17日6時(shí)龍口進(jìn)占水面寬度為120m，龍口推進(jìn)速度平均約1.7m/h，之后連續(xù)進(jìn)占至龍口合攏，推進(jìn)速度平均約1.9m/h。龍口最大測點(diǎn)流速與龍口水面寬過程線變化見圖5。

圖5 龍口最大測點(diǎn)流速和龍口水面寬過程線變化

3.4 分流比分析

3.4.1 龍口截流階段

導(dǎo)流明渠分流時(shí)間為3月14日10時(shí)30分，18時(shí)收集到導(dǎo)流明渠第一次實(shí)測流量成果，實(shí)測流量為25.8m3/s，分流比為4.0%。隨后逐漸加大，截至19日14時(shí)龍口基本合攏，導(dǎo)流明渠實(shí)測流量為233m3/s，分流比為43.2%。根據(jù)檢查結(jié)果得到，導(dǎo)流明渠分流流量未到達(dá)預(yù)期目的，滲流量較大。20日后隨著填筑圍堰防滲的完成，導(dǎo)流明渠流量逐漸加大(見圖6)。

圖6 導(dǎo)流明渠分流流量及分流比分布

3.4.2 龍口合攏后期

龍口合攏后隨著戧堤防滲處理及導(dǎo)流明渠進(jìn)一步疏通，導(dǎo)流明渠流量逐漸加大，26日實(shí)測流量648m3/s，基本達(dá)到漢江干流來水量，其功能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(見圖7)。

圖7 導(dǎo)流明渠流量過程線

3.5 截流期水文要素綜合分析

隨著龍口寬度的減小，龍口最大流速逐漸增大，到達(dá)極限后隨龍口的繼續(xù)推進(jìn)，流速又逐漸回落；上戧堤的落差隨龍口的束窄，上游水位的抬高，下游水位的降低，落差增大；龍口流量隨龍口減小而持續(xù)減小。

導(dǎo)流明渠的水力學(xué)特性變化也與龍口的變化密切相關(guān)，隨龍口的束窄導(dǎo)流明渠進(jìn)口水位抬高，出口水位變化不大，落差也相應(yīng)增加；隨著龍口寬度的減小，龍口流量減小，導(dǎo)流明渠流量和分流比相應(yīng)增加，變化特征和趨勢明顯。

4 結(jié) 語

截流工程是水電站工程建設(shè)施工的關(guān)鍵工程，水文勘測信息對截流施工與指揮調(diào)度有著重要的指導(dǎo)意義。湖北省碾盤山水利水電樞紐工程截流水文要素監(jiān)測成果基本反映了截流期各水力要素的變化特征和規(guī)律，同時(shí)與截流水工模型的試驗(yàn)水力學(xué)特性比較，基本吻合。實(shí)時(shí)的水文監(jiān)測成果，為截流施工的現(xiàn)場組織和指揮提供了基本依據(jù)，有力支持了截流的順利實(shí)現(xiàn)。