德厚水庫(kù)大壩截流設(shè)計(jì)

畢桉靖 陽(yáng)雯 云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院

1.工程概述

德厚水庫(kù)位于云南文山市德厚河上，水庫(kù)總庫(kù)容1.13億m3，大壩采用粘土心墻堆石壩，最大壩高70.9m，壩后電站總裝機(jī)2.2MW，抽水泵站總裝機(jī)10.22MW，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。

2.大壩施工導(dǎo)流

2.1 導(dǎo)流方式和導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

本工程大壩施工采用一次攔斷河床圍堰擋水，隧洞過(guò)流的導(dǎo)流方式。主河床截流后第一個(gè)枯水期，由截流堰體擋水，導(dǎo)流隧洞泄流，同時(shí)進(jìn)行上游全年擋水圍堰填筑施工。后期由壩體擋水、導(dǎo)流隧洞泄流進(jìn)行導(dǎo)流。

德厚水庫(kù)大壩為2 級(jí)建筑物，大壩上游擋水圍堰級(jí)別為4 級(jí)建筑物，截流堰體為5 級(jí)建筑物。截流堰體采用枯期10 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)（P=10%），設(shè)計(jì)洪峰流量Q=18.8m3/s。大壩上游圍堰采用全年10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)（P=10%），設(shè)計(jì)洪峰流量Q=121m3/s。

2.2 主要導(dǎo)流建筑物

導(dǎo)流隧洞布置在大壩右岸，與水工泄洪隧洞采用“龍?zhí)ь^”結(jié)合。隧洞洞身總長(zhǎng)404.3m，進(jìn)口高程1324.00m，洞身斷面為圓拱直墻形，導(dǎo)流專(zhuān)用段尺寸為3.0m×3.5m（寬×高），底坡i=0.016。結(jié)合段尺寸為3.5m×4.0m（寬×高），底坡為i=0.03。

上游圍堰采用土石圍堰，頂寬11.0m，堰身與大壩永久壩體為部分結(jié)合，迎水坡比為1:2.5，背水坡比為1:2.0，最大堰高23m。

3.截流設(shè)計(jì)

3.1 截流時(shí)段及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)本工程水文資料和施工總進(jìn)度計(jì)劃安排，選擇在第一年12月進(jìn)行截流。截流標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期為10年的12月月平均流量Q=8.7m3/s。

3.2 截流方式

壩址區(qū)地形狹窄，岸坡陡峭，呈典型“V”字型，因立堵截流方法施工靈活簡(jiǎn)便，對(duì)施工場(chǎng)地及施工交通適應(yīng)性較強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際流量大小，決定拋投材料及拋投方式，故本工程采用單戧立堵的方式進(jìn)行截流。為降低截流施工強(qiáng)度，采用兩岸雙向預(yù)進(jìn)占、由右岸進(jìn)占進(jìn)行截流。

3.3 截流戧堤

根據(jù)導(dǎo)截流方案，截流戧堤布置于上游圍堰和導(dǎo)流洞進(jìn)口之間，截流戧堤采用土石填筑堰體，頂寬6.0m。上游坡比為1:2.5，下游坡比為1:2.0，最大高度5.3m。上游采用粘土斜墻及鋪蓋防滲。

3.4 截流水力計(jì)算

（1）計(jì)算模型

截流計(jì)算流量由四部分組成：QJ=QL+Qd+QX+Qs

式中：QJ為截流設(shè)計(jì)流量；QL為龍口泄流量；Qd為泄水建筑物泄流量；QX為戧堤前河道調(diào)蓄流量；Qs為滲透流量。

根據(jù)上述公式，聯(lián)立方程組求解可得龍口不同寬度下各水力要素：如龍口流量、龍口平均流速、龍口落差、龍口水流單位功率等，從而進(jìn)一步確定截流拋投料粒徑。

（2）基本計(jì)算假定

①龍口進(jìn)占施工中，按水力學(xué)定義龍口流量QL和導(dǎo)流隧洞分流量Qd均為非恒定流；但在截流該相對(duì)較短時(shí)段內(nèi)，可按恒定流進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

②德厚水庫(kù)壩址地形狹窄，截流庫(kù)容較小，可忽略河道調(diào)蓄作用，即QX=0；截流時(shí)戧堤堰身、堰基滲透流量較小，計(jì)算時(shí)可忽略滲透流量的影響，即Qs=0。式中QX、Qs均取值為0,作為截流計(jì)算安全儲(chǔ)備同時(shí)也便于簡(jiǎn)化計(jì)算。

③本工程截流時(shí)導(dǎo)流隧洞內(nèi)為無(wú)壓流，隧洞泄流流量按寬頂堰公式計(jì)算。

④采用簡(jiǎn)化寬頂堰計(jì)算方法推求龍口泄流量。計(jì)算時(shí)：非淹沒(méi)流時(shí)龍口水深取臨界水深，淹沒(méi)流時(shí)龍口水深取下游水深；龍口水面水平，不計(jì)水面起伏和波浪影響。

（3）計(jì)算步驟

①求算導(dǎo)流隧洞的上游水位H與泄流量Qd的關(guān)系。

②求算不同龍口寬度時(shí)的上游水位H與泄流量QL的關(guān)系曲線(xiàn)。

③由上述兩項(xiàng)計(jì)算成果繪成綜合泄水曲線(xiàn)。

4、求算不同龍口寬度的各種水力特性。當(dāng)截流設(shè)計(jì)流量QJ已定，利用綜合泄流曲線(xiàn)得出相應(yīng)某一龍口寬度B的上游水位Z以及泄流量Qd、QL。進(jìn)而計(jì)算得出各項(xiàng)水力指標(biāo)。

表1 導(dǎo)流隧洞泄流曲線(xiàn)表

⑤計(jì)算龍口水力參數(shù)及截流拋投材料粒徑選擇。

（4）導(dǎo)流隧洞泄流曲線(xiàn)

根據(jù)導(dǎo)流隧洞布置特性，截流時(shí)，導(dǎo)流隧洞流態(tài)為無(wú)壓流，可按無(wú)底坎寬頂堰流計(jì)算:

式中：σs—淹沒(méi)系數(shù)，應(yīng)根據(jù)堰后計(jì)算水深hs與上游水頭H的比值來(lái)判斷是自由出流還是淹沒(méi)出流：hs/H＜0.8為自由出流；hs/H≥0.8 為淹沒(méi)出流；m—流量系數(shù)，取0.34；b—過(guò)水?dāng)嗝鎸?，b=3m；導(dǎo)流隧洞無(wú)壓流泄流計(jì)算成果見(jiàn)表1。

（5）龍口泄流能力計(jì)算

根據(jù)截流設(shè)計(jì)流量Q=8.7m3/s，選取截流各個(gè)典型龍口寬度，分別假定此時(shí)龍口下泄流量，并通過(guò)下游河道流量～水位關(guān)系查得龍口下游水位，經(jīng)反復(fù)試算求出上游水位與龍口下泄流量關(guān)系。計(jì)算方法如下：

①淹沒(méi)流計(jì)算：

式中：бn—淹沒(méi)系數(shù)，龍口為梯形時(shí)，hn/H≥0.7時(shí)為淹沒(méi)流，бn查巴甫洛夫斯基淹沒(méi)系數(shù)表；龍口為三角形時(shí)，hn/H≥0.8為淹沒(méi)流，бn查別列津斯基淹沒(méi)系數(shù)表。m—流量系數(shù)，取0.32；Bcp—龍口平均過(guò)水寬度，m；Bcp=Shn+b。b—龍口底部寬，m；S—龍口兩側(cè)坡度，取1.5。H—龍口上游水深，m；hn—龍口下游水深，m。

②非淹沒(méi)流計(jì)算：

式中：m—流量系數(shù)，取0.32。其他符號(hào)意義同上。

QL與臨界水深hk均未知，需通過(guò)試算。當(dāng)龍口為梯形過(guò)水?dāng)嗝鏁r(shí)，由試算得hk，式中Bk、Wk分別為臨界水深時(shí)對(duì)應(yīng)的過(guò)水?dāng)嗝鎸捈懊娣e；當(dāng)龍口呈三角形過(guò)水?dāng)嗝鏁r(shí)，由hk=(2QL2/(gS2))1/5，式中S為龍口兩側(cè)坡度，取1.5。

（6）龍口水力要素計(jì)算

單寬流量q=QL/Bcp,

龍口落差Δz=H-hp，hp—龍口水深，淹沒(méi)流時(shí)取hn，非淹沒(méi)流時(shí)取hk。

龍口單寬功率：N=γ·q·Δz；龍口平均流速：v=q/hp，

截流計(jì)算的龍口水力要素見(jiàn)表2。

3.5 截流水力要素分析及拋投材料粒徑選擇

本工程截流時(shí)水文條件確定，水力條件較為單一，由計(jì)算可知龍口最大平均流速為2.6m/s，最大落差為0.53m，最大單寬功率為2.01t.m/（s.m），只要對(duì)截流材料及施工機(jī)械充分準(zhǔn)備，做好龍口保護(hù)，大壩截流難度不大。根據(jù)水流作用下石塊的穩(wěn)定計(jì)算，本工程截流拋填料粒徑選擇范圍為0.2m～0.8m，選用大壩壩肩開(kāi)挖石渣料即可滿(mǎn)足要求，為保證順利合龍，可預(yù)備一定數(shù)量的當(dāng)量粒徑0.8m～1m的大塊石作為合龍?jiān)庥隼щy時(shí)的應(yīng)急拋投料。

4.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)德厚水庫(kù)水文氣象、地形地質(zhì)條件，結(jié)合工程建筑物布置及施工總進(jìn)度計(jì)劃安排，本工程合理使用枯水期，科學(xué)選擇截流方式和截流材料，使德厚水庫(kù)大壩于2016年12月21日成功截流，截流后德厚水庫(kù)施工進(jìn)展順利。