大藤峽水利樞紐二期圍堰截流研究

潘明鴻，陳 輝，左永振，黃天寶

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，537226，桂平；2.長江水利委員會長江科學(xué)院，430010，武漢）

一、工程概述及研究方法

大藤峽水利樞紐施工導(dǎo)流采用二期導(dǎo)流方式。 一期導(dǎo)流先圍左岸，江水由束窄后的右岸河床過流。 在一期圍堰的保護(hù)下， 施工河床20 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔、 左岸廠房、左岸擋水壩等建筑物。 二期導(dǎo)流圍右岸， 江水由一期建成的20 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔過流。在二期圍堰的保護(hù)下，施工河床4 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔、右岸廠房、右岸擋水壩等建筑物。 截流方式為從右岸一側(cè)單戧堤進(jìn)占，立堵截流。

二期深水圍堰截流有流量大、龍口段河床深切、截流拋填工程量大的特點(diǎn)。 二期上、下游圍堰采用混凝土防滲墻接黏土心墻土石圍堰，土石方總填筑量223×104m3， 混凝土防滲墻1.34×104m2，填筑工程量巨大，且須在一個枯水期內(nèi)完成施工， 施工強(qiáng)度大。 二期土石圍堰的安全性主要取決于防滲體系，圍堰防滲型式為混凝土防滲墻上接黏土心墻防滲，堰體水下部分主要由開挖石碴料及砂礫料水中拋填形成，并在拋填體中成槽澆筑塑性混凝土防滲墻，水上部分接碾壓黏土心墻及石碴料等堰體。

二期深水圍堰截流試驗研究采用三維數(shù)值模擬與整體水工模型試驗、 局部水工模型試驗相結(jié)合的方法，對截流過程進(jìn)行模擬研究，模擬截流拋填過程中出現(xiàn)的各種不利條件。 分析不同截流方式參數(shù)，優(yōu)化截流戧堤布置，提出降低截流難度的合理截流方式，為截流設(shè)計提供依據(jù)。

二期深水圍堰長期高水位運(yùn)行研究采用室內(nèi)堰體與防滲墻特性參數(shù)試驗、數(shù)值模擬對比分析相結(jié)合的方法，設(shè)計出防滲、穩(wěn)定的堰體，提出合理的結(jié)構(gòu)型式及圍堰監(jiān)測要求。

二、模型建立

1.物理模型

根據(jù)河道特征、河床形態(tài)、地形特點(diǎn)， 結(jié)合截流拋投料模擬等要求，將模型確定為定床正態(tài)模型，比例尺為1∶80、1∶40， 模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計。 1∶80 截流整體模型模擬原體壩軸線上游3.0 km 至下游2.8 km 共5.8 km 范圍， 尾水控制斷面為壩下2+649.00；1∶40 局部模型模擬原體壩軸線上游0.6 km 至下游0.6 km 共1.2 km 范圍， 尾水控制斷面為壩下0+600.00。

模擬試驗拋投材料種類和規(guī)格如下：石碴料：粒徑0.25～0.75 cm；小石：粒徑0.75～1.5 cm；中石：粒徑1.25～2.0 cm；大石：粒徑1.75～3.0 cm；四面體：單個重20 t 或30 t，r=2.40 t/m3；大塊石串：原型粒徑1.2 m，3～4 個一串，柔性連接；鋼筋石籠：規(guī)格2 m×2 m×2 m，原型重量16 t，模型重量245 g。

原型設(shè)計拋投強(qiáng)度為10 m3/min，模型試驗拋投強(qiáng)度為1 000 cm3/min。

2.數(shù)學(xué)模型

三維數(shù)值模擬研究采用的數(shù)學(xué)模型為：采用基于結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格的FAVOR 方法及真實的三步TruVOF方法，求解三維不可壓縮黏性流體運(yùn)動的Navier-Stokes 方程， 應(yīng)用GMRES 方法求解離散方程，采用單相流體模擬水流流動。 求解采用有限體積法、二階迎風(fēng)格式，壓力—速度耦合采用壓力校正法，離散方程求解采用廣義的極小殘差GMRES 法， 時間差分采用全隱格式。

截流三維數(shù)值模擬研究計算范圍選取在縱向混凝土圍堰右側(cè)部分，模型進(jìn)出口分別選取在壩軸線上游0-600 斷面和壩軸線下游0+600 斷面。 根據(jù)整體模型試驗結(jié)果，主河道與左側(cè)導(dǎo)流明渠之間的分流線取縱向軸線向右岸方向偏轉(zhuǎn)8°近似。

截流三維數(shù)值模擬研究主要計算截流戧堤堤頭龍口附近水力參數(shù)，因此在截流戧堤堤頭和龍口區(qū)域380 m×190 m 范圍進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸為0.8 m， 從此區(qū)域往外網(wǎng)格尺寸逐漸增加，最大為2.2 m。 計算區(qū)域有效網(wǎng)格數(shù)量1 490 萬。 網(wǎng)格數(shù)量根據(jù)不同計算工況與水位有所變化。

3.模型試驗成果及分析

（1）一期上圍拆除高程影響分析

在一期上游圍堰全線拆除條件下，針對圍堰不同拆除高程的影響進(jìn)行試驗研究。 對截流戧堤合攏上、下游的水位差值（未閉氣）進(jìn)行對比。

當(dāng)截流流量Q=2 380 m3/s， 一期圍堰拆除底高程為23.00 m、24.00 m、25.00 m 時，截流最終落差分別為1.73 m、1.89 m、2.67 m，相對圍堰全部拆除至22 m 時的1.64 m 落差分別增大0.09 m、0.25 m、1.03 m；

當(dāng)截流流量Q=3 870 m3/s， 一期圍堰拆除底高程為23.00 m、24.00 m、25.00 m 時，截流最終落差分別為1.70 m、1.76 m、2.22 m，相對圍堰全部拆除至22 m 時的1.66 m 落差分別增大0.04 m、0.10 m、0.56 m。

兩級流量試驗成果相比可知，大流量時一期上游圍堰拆除高程對截流終落差的影響相對較小。

（2）截流龍口位置比選

考慮不同龍口位置對截流難度的影響，對于龍口位于主河槽和龍口位于左岸灘地兩種情況進(jìn)行了截流難度的對比試驗。 試驗條件為：一期圍堰全線拆除至高程22 m，流量采用10 月下旬多年平均流量3 870 m3/s。

龍口位于主河槽，即將龍口設(shè)置在主河道最深點(diǎn)附近。 先從左岸進(jìn)行預(yù)進(jìn)占， 利用一期上游圍堰拆除料，進(jìn)行縱向圍堰右側(cè)巖石漫灘部位的預(yù)進(jìn)占，左岸戧堤進(jìn)占至巖石漫灘邊緣，做好戧堤裹頭防護(hù)，然后從右岸進(jìn)行進(jìn)占截流。

龍口位于左岸灘地， 即龍口設(shè)置在縱向圍堰右側(cè)22.00 m 高程灘地，截流戧堤從右岸單側(cè)進(jìn)占至縱向圍堰。

經(jīng)對比，兩種情況下都能順利合龍。 龍口位于深槽的方案雖然落差和流速小，但龍口水深、流量大，相對龍口位于灘地的方案，在龍口寬80～20 m時，流量約為1 016～86 m3/s，深槽的大塊石用料量多2.6×104m3（含裹頭7 680 m3）， 且需在左戧堤做20 m 石籠裹頭，施工難度大，施工條件也復(fù)雜。 故推薦龍口位于左岸灘地布置。

（3）推薦方案截流進(jìn)占試驗

經(jīng)過試驗研究最終確定截流推薦方案：戧堤軸線為直線布置，軸線與縱向混凝土圍堰夾角81.64°； 戧堤總長285.0 m，戧堤頂高程29.87 m，戧堤頂寬度15.0 m；龍口位于左岸灘地。

截流龍口段試驗： 一期上游圍堰全部拆除至23 m， 龍口段100 m 至0 m， 截流龍口進(jìn)占由右岸非龍口段預(yù)進(jìn)占堤頭單向立堵進(jìn)占至縱向圍堰。龍口段進(jìn)占流量為1 050 m3/s、2 380 m3/s、3 870 m3/s。

①預(yù)進(jìn)占

通過觀測預(yù)進(jìn)占流量4 350 m3/s，以及工況一（一期上游圍堰拆除至25 m、剩余100 m）和工況二（一期上游圍堰全部拆除至23 m、 下游圍堰剩余155 m）的落差、流速和用料等參數(shù)，以石渣料能進(jìn)占的寬度作為龍口寬度的標(biāo)準(zhǔn)， 結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，并參考類似工程，確定截流龍口寬度為150 m。此時，進(jìn)占落差小于0.80 m，流速在3.00 m/s 左右。

②龍口段進(jìn)占

上游來流沿縱向圍堰平順進(jìn)入明渠，水流行進(jìn)至上口門，由于上戧堤軸線進(jìn)占方向向下游偏斜，與水流方向斜交，水流受堤頭上挑角挑流作用明顯， 堤頭軸線及下挑角斷面為回流且流速較小， 挑流線在軸線處距堤頭約25 m， 與戧堤軸線夾角約45°～60°，戧堤下游右側(cè)河道右岸側(cè)為狹長回流區(qū)，隨著口門縮窄回流區(qū)不斷向下游延伸。 堤頭挑流作用明顯，能保護(hù)軸線及下挑角拋投材料，同時堤頭上挑角處水流穩(wěn)定，水流對堤頭無明顯頂沖，戧堤軸線方向合理。

推薦方案條件下，一期上游圍堰全部拆除至23 m，截流流量1 050 m3/s，截流最終落差為1.88 m， 龍口最大流速5.11 m/s， 龍口最大平均流速4.85 m/s，戧堤頭部最大流速4.28 m/s，截流最大塊石尺寸1.2～1.6 m；截流流量為2 380 m3/s 和3 870 m3/s 時， 截流難度有所降低。

通過物理模型試驗各種截流工況計算不同截流龍口寬度對應(yīng)最大床面切應(yīng)力，認(rèn)為預(yù)留龍口寬度100 m 較為合理，對應(yīng)最大床面切應(yīng)力為18.18Pa。

（4）三維數(shù)學(xué)模型計算成果

通過三維數(shù)學(xué)模型分析可知，由于截流戧堤采用右岸單側(cè)進(jìn)占，在河道過流寬度束窄后，龍口下泄水流主流位于縱向混凝土圍堰右側(cè)22.00 m高程河漫灘上，縱向混凝土圍堰堰腳處于高流速區(qū)，堰腳處流速最大可達(dá)5.0 m/s 以上， 截流戧堤堤頭上游側(cè)對水流的挑流作用明顯， 在堤頭下游側(cè)形成一流速較小回流區(qū)。

床面切應(yīng)力較大區(qū)域基本與高流速區(qū)相對應(yīng)，位于截流戧堤堤頭上游側(cè)邊坡和22.00 m 高程漫灘。 最大切應(yīng)力發(fā)生位置一般位于戧堤堤頭上游側(cè)坡中、龍口位置床面和一二期工程結(jié)合部右側(cè)位置床面。同時縱向混凝土圍堰堰腳位于高流速區(qū)，因此縱向圍堰堰腳切應(yīng)力數(shù)值沿線均較大，在20.0 Pa 以上， 截流過程中應(yīng)對縱向圍堰堰腳做好防護(hù)。

三、二期圍堰長期高水位運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究

1.堰體填料的工程特性研究

針對圍堰填料的水下拋填密度和水下坡角、圍堰填料的力學(xué)特性與滲透變形特性、砂礫石料與塑性混凝土的接觸特性等問題，進(jìn)行了離心模型試驗、填料水下拋填密度和水下坡角試驗，結(jié)合相對密度試驗、大型壓縮試驗結(jié)果和類似項目經(jīng)驗，對二期圍堰拋填料和碾壓料的室內(nèi)試驗干密度提出了建議；針對拋填料、碾壓料進(jìn)行了大型三軸試驗、大型壓縮試驗、滲透變形試驗，推薦了拋填料、碾壓料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、E～μ(B)變形參數(shù)及滲透特性指標(biāo)；采用大型疊環(huán)式剪切儀，進(jìn)行填料與塑性混凝土防滲墻之間的大型剪切試驗，揭示了塑性混凝土與填料界面切應(yīng)力—切位移規(guī)律，并按照雙曲線模型整理出了接觸面非線性模型參數(shù)。

2.塑性混凝土防滲墻材料研究

通過塑性混凝土的配合比試驗，優(yōu)選出試驗配合比為S13 號、S17 號，即水泥用量達(dá)130 kg/m3及140 kg/m3時，塑性混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度分別為2.8 MPa 及3.0 MPa（黏土摻量120～140 kg/m3），90 d 抗壓強(qiáng)度分別為3.4 MPa及3.8 MPa；S3 號、S10 號的水泥用量為160 kg/m3及200 kg/m3， 塑性混凝土7 d 抗壓強(qiáng)度分別為3.0 MPa 及4.4 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度分別為5.4 MPa 及7.2 MPa。 混凝土模強(qiáng)比均低于250。滲透系數(shù)在i×10-7～i×10-8cm/s量級范圍，均滿足一般防滲墻的抗?jié)B要求。 針對優(yōu)化配合比，確定了塑性混凝土防滲墻材料的各種物理力學(xué)指標(biāo)及其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參數(shù)。 施工前應(yīng)復(fù)核塑性混凝土配合比、確定施工配合比。 施工中應(yīng)加強(qiáng)對水泥、砂石骨料等原材料質(zhì)量控制，摻入黏土?xí)r宜采用濕摻法以泥漿形式摻入。

3.二期圍堰斷面優(yōu)化設(shè)計研究

采用試驗獲得的堰體填料參數(shù)，模擬施工填筑及水位升降過程，針對二期上游圍堰典型斷面開展平面二維有限元應(yīng)力變形計算分析，對塑性混凝土防滲墻進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，提出相應(yīng)優(yōu)化建議。 建立二期上游圍堰的三維整體模型，進(jìn)行圍堰三維非線性有限元應(yīng)力變形計算分析，獲得圍堰與防滲體系的三維應(yīng)力變形性狀，分析防滲體系破壞可能性，詳細(xì)論證圍堰設(shè)計方案安全性，對有安全隱患的部位，提出合理的工程建議。

①完建期堰體豎向位移極值為27.2 cm，占最大壩高的0.54%，向上游的水平位移極值為-8.0 cm，向下游的水平位移極值為11.6 cm，大主應(yīng)力極值為-1.3 MPa； 蓄水期堰體豎向位移極值為31.6 cm，占最大壩高的0.63%，向上游的水平位移極值為-7.2cm，向下游的水平位移極值為14.3 cm，大主應(yīng)力極值為-1.6 MPa。 堰體的應(yīng)力變形在合理的范圍內(nèi)。

②防滲體系中的塑性混凝土應(yīng)力水平極值為0.85，小于1.0，二維與三維防滲墻豎向壓應(yīng)力極值分別為-5.8 MPa 與-5.3 MPa。

③防滲墻頂部50 cm 厚常態(tài)混凝土順河向拉應(yīng)力極值為5.1 MPa， 壩軸向拉應(yīng)力極值為9.8 MPa，拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度，存在安全隱患， 建議對常態(tài)混凝土全斷面配筋處理， 防止防滲體系的局部破壞。

4.二期圍堰滲透穩(wěn)定性分析

針對二期圍堰的地質(zhì)特性及堰體結(jié)構(gòu)，開展一系列滲流計算分析工作，評價圍堰的滲透穩(wěn)定性，并根據(jù)需要提出完善設(shè)計和加強(qiáng)施工控制的建議。

①土工膜、混凝土防滲墻等防滲體系為二期圍堰提供了較好的滲控效果， 墻后堰體內(nèi)的浸潤面低且平緩，滲透比降較小，滲透穩(wěn)定程度滿足要求。 滲流量主要來自堰基，單寬流量為0.60 m3/(d·m)。 ②圍堰運(yùn)行期基坑開挖后，應(yīng)重點(diǎn)考慮基坑邊坡的滲透穩(wěn)定。 基坑開挖到底后，邊坡的一、二級平臺均有出逸。 開挖前需做好基坑周邊和平臺的降水和排水措施。 ③根據(jù)三維滲流計算結(jié)果，防滲墻入巖形成封閉式防滲后，基坑開挖前后排水量變化不大， 約為135.6～140.6 m3/d。如果河床或左岸灘地表層存在防滲墻未全截斷的局部弱風(fēng)化透水層，則可能導(dǎo)致基坑排水量明顯增大，施工中須注意防范。