水電站截流中的水文監(jiān)測技術(shù)探究

□鄭艷軍

水利工程進(jìn)行截流施工時(shí)，河流龍口在合龍過程中水流速度將會(huì)不斷地提升，將會(huì)對(duì)戧堤以及河流下游的河床覆蓋層造成一定的沖刷侵蝕，在經(jīng)過一定的發(fā)展后將會(huì)嚴(yán)重地造成戧堤失穩(wěn)。因此，在水利工程進(jìn)行截流施工中制定科學(xué)的水文監(jiān)測策略，根據(jù)流域中河床再造及沖淤變化情況有效地實(shí)施截流施工調(diào)度，對(duì)工程的安全施工具有重要的作用。

1.工程概況

某水電站為以發(fā)電為主兼顧防洪、灌溉的大型水利工程，是一座具有重要收益價(jià)值的水利工程，其中攔河大壩為高碾壓混凝土雙曲拱壩，大壩高點(diǎn)為275m，最大高程為610m，其中水庫的正常蓄水位121×108m3，水庫的防洪庫容為48×108m3，水電站在建總裝機(jī)容量為12600MW，該工程是目前該流域上最大的水電站項(xiàng)目。此工程施工階段使用圍堰進(jìn)行流域的全面擋水，設(shè)置6 個(gè)導(dǎo)流孔，在截流施工中則設(shè)置6 個(gè)導(dǎo)流孔，截流主要是采取單戧立堵截流方式進(jìn)行施工，根據(jù)施工前的截流建模結(jié)果分析顯示，戧堤的最大的落差為3.65m，截流龍口的最大水流速度為5.5m/s。

圖1 截流施工中的水文監(jiān)測的主要內(nèi)容

2.水文監(jiān)測目的、內(nèi)容及特點(diǎn)

截流施工是保障水利工程正常施工的重要內(nèi)容，截流的結(jié)果與水利工程的施工質(zhì)量及安全具有直接聯(lián)系，而截流的水文監(jiān)測則可以為進(jìn)行戧堤施工、水流流量、工程圍堰的滲流情況以及龍口水流速度等截流水文對(duì)戧堤施工影響因素的監(jiān)測分析，以此獲得工程全生命周期中水力特征變化規(guī)律情況，根據(jù)水文監(jiān)測結(jié)果為截流施工的優(yōu)化、施工中的力學(xué)分析、施工組織等提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持等。截流施工中的水文監(jiān)測的主要內(nèi)容如圖1 所示。

水文監(jiān)測在實(shí)際的應(yīng)用中同時(shí)也存在著一定的難點(diǎn)，具體表現(xiàn)如下：

2.1 具有一定的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

河流龍口戧堤進(jìn)占施工屬于水上作業(yè)，對(duì)于施工場地以及河流的水流條件具有一定的要求，但通常在實(shí)際施工中施工現(xiàn)場環(huán)境以及水流條件較為惡劣，對(duì)于需要在監(jiān)測船只上作業(yè)的施工人員而言具有極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 監(jiān)測作業(yè)船只在高速水流下難以保持穩(wěn)定

龍口戧堤進(jìn)占施工中，受到逐漸合龍的作用水流的流速將顯著的增加，這種條件無法使監(jiān)測船只有效的靠近監(jiān)測區(qū)域，即便利用拋錨將船只進(jìn)行牽引固定，船只也會(huì)在湍急的水流作用下產(chǎn)生劇烈的搖擺，而且GPS 衛(wèi)星基站鎖定以及數(shù)據(jù)的間歇性更新將會(huì)產(chǎn)生定位方面的誤差以及發(fā)生信號(hào)接收的延遲，做多方面因素的作用中將會(huì)造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.3 監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行對(duì)水流流速、水體含沙量具有一定的要求

當(dāng)前在監(jiān)測領(lǐng)域中使用較為廣泛的為超聲波技術(shù)，但此技術(shù)具有一定的弊端，聲波在傳遞過程中遇到的介質(zhì)不同其反射的狀態(tài)也會(huì)具有一定的差異，如在常規(guī)的河流聲波監(jiān)測，當(dāng)在河底反射后遇到水中泥沙、微量氣泡等物質(zhì)后也會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，將導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)誤差。

圖2 GPS 配合測深儀進(jìn)行河床地形觀測的系統(tǒng)配置

圖3 本工程中監(jiān)控點(diǎn)位布置圖

表1 本工程截流施工階段水文數(shù)據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)表

3.監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

3.1 技術(shù)路線

本次工程截流水文監(jiān)測技術(shù)主要為高精度測繪系統(tǒng)，包括GPS 接收機(jī)、HSH-I 超聲波測深儀、ADCP 電波流速儀、激光全站儀以及終端數(shù)據(jù)設(shè)備等。GPS 配合測深儀進(jìn)行河床地形觀測的系統(tǒng)配置。見圖2。

3.2 水文監(jiān)測點(diǎn)分布

依據(jù)此工程中的實(shí)際情況，截流施工監(jiān)測區(qū)域長度約為7km，監(jiān)測點(diǎn)位主要設(shè)置在5 條導(dǎo)流孔、戧堤、工程下游以及龍口等主要區(qū)域監(jiān)控點(diǎn)位布置圖如圖3 所示。

3.3 截流前的河道本底觀測

為了驗(yàn)證工程截流模型分析結(jié)果以及更好的滿足工程中的截流施工要求，將采用相對(duì)的施工技術(shù)進(jìn)行重要區(qū)域的截流前河道本底觀測。

導(dǎo)流孔口地形監(jiān)測。為了解工程導(dǎo)流孔圍堰拆除后河道河床的真實(shí)情況，乘坐監(jiān)測船只使用GPS 定位系統(tǒng)及聲波探測設(shè)備測量河床進(jìn)出口區(qū)域的地下情況。

特征部位斷面監(jiān)測。在截流河段區(qū)域的上圍堰、戧堤、大壩軸線以及下圍堰等位置利用全站儀進(jìn)行河道橫斷面的定位并使用理論測量深度為40m的HSH-I 超聲波測深儀進(jìn)行測量，本工程中戧堤斷面的最大水深為23m。

3.4 水位、落差監(jiān)測

工程中水位以及落差監(jiān)測點(diǎn)位共有17 個(gè)，但大多是人工無法到達(dá)的區(qū)域，面對(duì)這種狀況，可采用無協(xié)作目標(biāo)電子全站儀對(duì)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域水位、落差的監(jiān)測。方法主要針對(duì)測量人員無法到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，在600m 范圍內(nèi)無需人工立尺便可獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3.5 龍口流速監(jiān)測

戧堤進(jìn)占施工中最主要也是最重要的一項(xiàng)數(shù)據(jù)便是龍口的水流流速，由上文敘述可知，伴隨著龍口的逐漸合龍，其水流速度將會(huì)不斷地增加，加之戧堤進(jìn)占的施工面以及河道的水流特性等因素，造成監(jiān)測時(shí)無法使用常規(guī)監(jiān)測方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量。因此，在本工程中，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的施工條件，將使用電波流速儀及浮標(biāo)法進(jìn)行龍口流速的監(jiān)測。

電波流速儀法。電波流速儀是測量水體表面流速的儀器，其主要原理是多普勒效應(yīng)，使用過程中不需要與被測介質(zhì)進(jìn)行接觸，其有效測量范圍為100～150m，測量視野水平角度＜45°，最大的垂直角度為45°，可測量最大流速13m/s，并且，水體的流速越高其測量結(jié)果越精準(zhǔn)，故電波流速儀可應(yīng)用于本工程龍口流速監(jiān)測。在進(jìn)行本工程龍口流速監(jiān)測時(shí)，首先根據(jù)電波流速儀的測量參數(shù)在戧堤下游一側(cè)岸邊設(shè)置測量站。通過測量后獲取了400 余次本工程龍口流速，其中所測最大流速為9.5m/s。

浮標(biāo)法。浮標(biāo)法為傳統(tǒng)測速中常用的方法，在本工程中國主要作為備用方案。在測量時(shí)，首先使用經(jīng)緯儀或者是全站儀進(jìn)行交會(huì)，根據(jù)浮漂的運(yùn)行軌跡計(jì)算出水流的速度。此外，利用浮標(biāo)法可以檢驗(yàn)電波流速儀的測量精度，在驗(yàn)證后顯示，本工程中電波流速儀所測量的結(jié)果精準(zhǔn)可靠。

3.6 龍口寬測量

龍口的寬度主要是指戧堤軸線兩水邊點(diǎn)之間的距離，通過此數(shù)據(jù)可掌握施工的進(jìn)度詳情，也是進(jìn)行水文計(jì)算的主要數(shù)據(jù)之一。本工程中龍口寬度的測量主要使用全站儀測量。龍口寬平距計(jì)算過程為：

式中：L—表示激光測距儀的實(shí)際測量斜距（單位：m）；

α—表示天頂距。

龍口寬高差過程計(jì)算為：

式中，k1—表示曲率的改正數(shù)值（k1=Lsinα/2R，其中R 表示地球曲率半徑，單位：m）；

k2—表示大氣的折光改正數(shù)（k2=0.14k1）；

i—表示儀器的高（單位：m）；

v—表示覘牌的高度（單位：m）。

龍口寬計(jì)算過程為：

式中：β—表示水平夾角；

D1、D2—表示測量儀器到龍口兩側(cè)岸邊的平距（單位：m）。

3.7 河流總流量監(jiān)測

施工中龍口合龍過程中流量的計(jì)算公式為：

式中：Ql—表示龍口的流量（單位：m3/s）；

Qd—表示導(dǎo)流設(shè)施的分流流量（m3/s）；

Qac—表示河槽內(nèi)調(diào)蓄的流量（單位：m3/s）；

Qs—表示戧堤中產(chǎn)生的滲流量（單位：m3/s）。

由于本工程中河槽段較短，因此Qac在本次計(jì)算中將不做考慮。因此，總流量去除龍口過流量便可得到導(dǎo)流孔分流量，導(dǎo)流孔的分流比可以表示為：

4.水文監(jiān)測結(jié)果分析

本工程截流施工中龍口的進(jìn)占至合龍成功共歷時(shí)35h，本工程截流施工階段水文數(shù)據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)表見表1。

經(jīng)對(duì)比后顯示，本工程中實(shí)際監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)均高于施工前的截流建模結(jié)果，監(jiān)測結(jié)果精準(zhǔn)性相比同類工程更具有科學(xué)性、合理性，因此，在水電站截流施工中應(yīng)用適當(dāng)?shù)乃谋O(jiān)測技術(shù)具有重要的作用及意義。

5.結(jié)論

在進(jìn)行水電站截流施工中通過傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)的結(jié)合，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測作業(yè)。在實(shí)際的施工中通過利用ADCP、電波流速儀等新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)監(jiān)測中無法完成的作業(yè)，對(duì)于截流施工的現(xiàn)場組織和指揮具有重要的作用。工程水文監(jiān)測的成功，對(duì)于類似工程的施工具有重要的參考價(jià)值?！?/p>