邕寧水利樞紐一期枯水圍堰替代結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵問題

劉德兵，趙彥準(zhǔn)，常運(yùn)超，賀昌海

（1.中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，西安710016；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

水利水電工程分期導(dǎo)流設(shè)計(jì)和施工中，一期導(dǎo)流采用土石圍堰的工程實(shí)例較多，且多數(shù)涉及施工期通航問題。三峽工程一期土石圍堰型式采用風(fēng)化砂堰殼、混凝土防滲墻上接土工膜防滲方案；向家壩水電站一期土石圍堰由砂卵礫石、堆石、過渡料填筑而成，堰基及堰體分別采用塑性混凝土防滲墻及復(fù)合土工膜斜心墻型式作防滲處理［1］；枕頭壩一級(jí)水電站一期縱向圍堰采用土石結(jié)構(gòu)堰體、混凝土防滲墻防滲，進(jìn)口段直接利用預(yù)留巖坎擋水［2］。前人利用水工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)工程水力學(xué)問題的研究取得了不少成果［3-7］，對(duì)分期導(dǎo)流的研究成果也較豐富。戴會(huì)超等［8］運(yùn)用水工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，改進(jìn)了三峽工程明渠體形，解決了特殊情況下明渠通航條件問題；梁日新等［9］結(jié)合水工模型試驗(yàn)成果對(duì)枕頭壩一級(jí)水電站導(dǎo)流明渠縱向土石子圍堰的防沖調(diào)整方案進(jìn)行了研究，使防沖體經(jīng)受住了實(shí)際大洪水的考驗(yàn)；彭?xiàng)畹龋?0］用二維數(shù)值模擬方法研究了分期導(dǎo)流不同河床束窄度下圍堰附近的水流運(yùn)動(dòng)特性；賀昌海等［11］基于CATIA 三維建模和三維數(shù)值模擬方法，對(duì)蘇丹上阿特巴拉水利樞紐儒米拉大壩分期導(dǎo)流溢洪道內(nèi)部水流進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。

總之，“土石料填筑堰體、混凝土防滲墻防滲”的圍堰結(jié)構(gòu)型式在分期導(dǎo)流一期工程中普遍采用，施工方法成熟，施工速度快，防滲效果理想，應(yīng)用水工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究分期導(dǎo)流的成果較多，解決了大量工程實(shí)際問題。然而，在施工階段因工程料源受限而使土石圍堰設(shè)計(jì)方案不能實(shí)施的案例極少。邕寧水利樞紐一期枯水土石圍堰料場征地移民進(jìn)度滯后，導(dǎo)致圍堰設(shè)計(jì)方案不能實(shí)施。因此，如何因地制宜地調(diào)整圍堰結(jié)構(gòu)和布置，成為工程能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵問題。

1 工程概況

南寧市邕寧水利樞紐工程位于青秀區(qū)仙葫開發(fā)區(qū)牛灣半島處，壩區(qū)為邕江沖洪積階地過渡為剝蝕殘丘地貌，河流由西流入，轉(zhuǎn)向南經(jīng)壩區(qū)往下游拐彎再轉(zhuǎn)向北東向，環(huán)繞牛灣半島彎曲呈不規(guī)則的反“S”形狀。樞紐位于西津水電站庫區(qū)內(nèi)，枯水期河床水深達(dá)12～15 m，水面寬230～280 m，兩岸邊坡坡度20?～70?。主要水工建筑物有攔河壩、13孔閘壩、發(fā)電廠房、船閘和魚道，正常蓄水位67 m，總庫容7.1 億m3，電站裝機(jī)容量57.6 MW（6×9.6 MW），為燈泡貫流式機(jī)組，多年平均發(fā)電量2.206億kWh。

工程設(shè)計(jì)采用分期導(dǎo)流方式，右岸一期枯水圍堰擋水時(shí)段11月15日至次年4月15日，設(shè)計(jì)流量3 010 m3/s（枯水期10年一遇），主要任務(wù)是修建一期全年混凝土縱向圍堰和上下游橫向土石圍堰，計(jì)劃于一枯11月底完成填筑，至一汛前（次年4月16日至次年5月15日）拆除。一期枯水圍堰由上下游橫堰、縱堰和裹頭組成，全長981.9 m，填筑土石混合料74.86 萬m3，要求其中石碴含量大于等于40%，粒徑d≤200 mm 的含量不小于50%，防滲采用高壓旋噴混凝土防滲墻，其軸線處的土石混合料剔除粒徑200 mm以上大塊石（圖1）。圍堰土石混合料計(jì)劃取自馬登山土料場，其填料石碴含量40%～70%，物理性質(zhì)指標(biāo)滿足要求。

圖1 一期枯水土石圍堰設(shè)計(jì)斷面圖（圖中高程單位為m，其余單位為mm）Fig.1 The designed cross-section of the 1st stage cofferdam of dry season

航運(yùn)部門要求施工期按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)開通，一期導(dǎo)流施工時(shí)1 000 t 船隊(duì)通航允許水流條件：正向流速≤3.0 m/s，回流流速≤0.4 m/s，橫向流速≤0.3 m/s；最小航道尺寸為航寬60 m×水深3 m×彎曲半徑180 m（雙線）。超過這個(gè)范圍則應(yīng)采取措施輔助航行或禁止通航。

2 圍堰替代結(jié)構(gòu)

由于設(shè)計(jì)選用的馬登山土料場第1 區(qū)至第3 區(qū)因征地原因無法利用，壩址區(qū)附近沒有滿足要求的備用料場，因此，按照控制性進(jìn)度計(jì)劃要求，在圍堰填筑前（9月25日前）完成80萬m3以上、滿足設(shè)計(jì)要求的土石混合料儲(chǔ)備極為困難，實(shí)際施工時(shí)不可能采用設(shè)計(jì)圍堰結(jié)構(gòu)，工程面臨工期拖延一年的嚴(yán)重后果。

為解決這一難題，根據(jù)壩址可用填筑料的初步分析，提出了圍堰替代結(jié)構(gòu)型式。

（1）單塊石戧堤及含礫黏土體組合圍堰。以圍堰設(shè)計(jì)方案軸線為基準(zhǔn)進(jìn)行平面布置，包括上下游橫堰、縱堰和裹頭，全長981.90 m。外側(cè)（即靠束窄河床一側(cè)）戧堤采用粒徑D≥500 mm占80%、500 mm>D≥200 mm 占20%的塊石料填筑。內(nèi)側(cè)（即靠一期基坑一側(cè)）采用含礫黏土填筑，內(nèi)側(cè)坡腳侵占一期縱向混凝土圍堰結(jié)構(gòu)區(qū)域約8 m。子堰采用黏土填筑，子堰外側(cè)邊坡及含礫黏土堰面采用塊石護(hù)面（圖2）。

圖2 單塊石戧堤及含礫黏土體組合圍堰斷面圖（圖中高程單位為m，其余單位為mm）Fig.2 The cross-section of the cofferdam with single block stone dike and grain-containing clay body

（2）雙塊石戧堤及含礫黏土體組合圍堰。圍堰軸線位置、圍堰組成和長度同上。圍堰外側(cè)和內(nèi)側(cè)戧堤對(duì)稱布置，均采用以上同樣的塊石料填筑。塊石戧堤之間填筑含礫黏土。子堰結(jié)構(gòu)同上（圖3）。

圖3 雙塊石戧堤及含礫黏土體組合圍堰典型斷面圖（圖中高程單位為m，其余單位為mm）Fig.3 The cross-section of the cofferdam with double block stone dike and grain-containing clay body

對(duì)上述圍堰結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行工程量計(jì)算和造價(jià)估算，同時(shí)，采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立圍堰施工運(yùn)輸系統(tǒng)仿真模型，并編制計(jì)算程序?qū)呤┕すて谶M(jìn)行仿真計(jì)算［12］，計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，兩種圍堰的施工工期接近，圍堰填筑從9月底開始，11月底完成。根據(jù)工程施工經(jīng)驗(yàn)，高噴混凝土防滲墻（2.32 萬m）施工約45 d，基坑排水約15 d，一期全年上下游土石圍堰土石方填筑（約60 萬m3）和混凝土縱向圍堰（7.32 萬m3）約75 d，兩種圍堰均滿足后續(xù)工程的施工進(jìn)度計(jì)劃要求，即能夠在次年4月15日前完成一期全年圍堰施工。從工程前期施工資料分析，馬登山石料場、河床右岸護(hù)岸等工程開挖可獲得石料約57 萬m3，含礫黏土189 萬m3，滿足方案（1）的塊石料和土料供給需求，而方案（2）則另需外購、儲(chǔ)備塊石料約40 萬m3，短期內(nèi)難以完成，而且圍堰造價(jià)比前者高出14.92%。因此，應(yīng)采用第一種結(jié)構(gòu)型式。

表1 圍堰替代方案工程量及工期Tab.1 Project quantity and duration of the cofferdam alternative solution

3 縱堰軸線位置優(yōu)化

從泄水閘布置、二期導(dǎo)流和施工期通航要求出發(fā)，考慮兩種縱堰軸線位置方案（表2）。為減少試驗(yàn)工程量，先采用數(shù)值模擬方法研究設(shè)計(jì)擋水流量（3 010 m3/s）下束窄河床的水力特性。

表2 縱堰軸線位置方案Tab.2 Schemes of the longitudinal cofferdam axis position

3.1 計(jì)算模型與計(jì)算條件

利用CATIA 建立1∶1 的河床和圍堰三維模型（圖4至圖5）。

圖4 方案1三維模型Fig.4 3D model of scheme 1

圖5 方案2三維模型Fig.5 3D model of scheme 2

水流控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，為了模擬彎曲水流，采用RNGk-ε湍流模型［11］。

模擬范圍從0-1 250 m 至0+575 m，全長1 825 m，由A、B、C三個(gè)網(wǎng)格塊包絡(luò)（圖6）。采用立方體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格縱橫比為1，單元邊長2 m，總數(shù)量約2×107個(gè)。

圖6 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh generation of the computational domain

網(wǎng)格塊A（0-1 250 m至0-670 m）為上游河道轉(zhuǎn)彎及束窄河床入口區(qū)域，其中Xmin設(shè)置為流量邊界，通過流量和上游水面高程確定流速。網(wǎng)格塊B（0-670 至0+100）為圍堰主體及河道順直區(qū)域。網(wǎng)格塊C（0+100 m 至0+575 m）為束窄河床出口及下游河道轉(zhuǎn)彎區(qū)域，其中Ymin設(shè)置為壓力邊界，確定下游自由水面高程。A、B、C 三個(gè)網(wǎng)格塊的Zmin均設(shè)為無滑移界面邊界，Zmax設(shè)為壓強(qiáng)為0的壓力邊界；其余邊界均保持對(duì)稱邊界的默認(rèn)設(shè)置。

采用FLOW-3D 中的交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法離散控制方程，壓力速度分離式解法選用極小殘差算法（GMRES），流體自由表面位置利用TruVOF法追蹤［11］。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

兩個(gè)方案束窄河床整體流態(tài)相似，無回流及明顯旋渦現(xiàn)象。

圖7、8分別為束窄河床上游入口至下游出口各斷面水位和最大表面流速對(duì)比圖。從圖中可以看出，方案1最高水位64.61 m，與最低水位差值0.34 m，最大水面降落出現(xiàn)在束窄河床后段；方案2 最高水位65.16 m，與最低水位差值0.53 m，最大水面降落出現(xiàn)在束窄河床前段；由于方案2的河床束窄度較大，方案2 水面線高于方案1。兩方案均在束窄河床下游出口近左岸處出現(xiàn)最大表面流速，分別為2.89，4.91 m/s，近右岸處流速明顯回落；方案2 流速波動(dòng)較為劇烈，且各測點(diǎn)相應(yīng)流速值高于方案1。

圖7 束窄河床水面線對(duì)比Fig.7 Comparison of the water surface profile

可見，相比較而言，方案2的水力條件較為不利。

圖8 束窄河床最大表面流速對(duì)比Fig.8 Comparison of the maximum surface flow velocity

由表3 可看出，雖然兩方案的束窄河床水面寬度都大于60 m，平均水深都大于3 m，滿足航道尺寸要求，但方案2束窄河床水面寬小于方案1，且其束窄河床的最大正向流速大于3.0 m/s，不滿足施工期通航允許流速條件。

表3 通航水力學(xué)指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Comparison of the navigational hydraulic index

根據(jù)以上分析，縱堰軸線位置只能采用方案1。對(duì)于前文提及的內(nèi)側(cè)含礫黏土體侵占一期縱向混凝土圍堰結(jié)構(gòu)范圍的問題，可在基坑抽水后采取開挖及加固等措施解決。

4 施工期通航與圍堰防沖

為了解決施工期通航和圍堰防沖問題，以下采用數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)方法，詳細(xì)研究方案1 各種特征流量下束窄河床的水力特性，數(shù)值模型和網(wǎng)格劃分參見3.1，物理模型長度比尺1∶70。

4.1 計(jì)算和試驗(yàn)工況

計(jì)算和試驗(yàn)工況參見表4。

表4 方案1計(jì)算和試驗(yàn)工況Table 4 Calculation and test cases of scheme 1

4.2 水力特性計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果

（1）束窄河床流態(tài)。從圖9 至圖12 可以看出，不同流量下，計(jì)算流態(tài)和試驗(yàn)流態(tài)接近，束窄河床和圍堰裹頭段水流流態(tài)均較為平順，無旋渦及回流現(xiàn)象。束窄河床入口處水流平穩(wěn)，下游出口近左岸處流態(tài)稍急，但總體過渡平順。

圖9 工況1試驗(yàn)流態(tài)和計(jì)算流態(tài)Fig.9 The test and calculated flow pattern of case 1

圖10 工況2試驗(yàn)流態(tài)和計(jì)算流態(tài)Fig.10 The test and calculated flow pattern of case 2

圖11 工況3試驗(yàn)流態(tài)和計(jì)算流態(tài)Fig.11 The test and calculated flow pattern of case 3

圖12 工況1圍堰裹頭段試驗(yàn)流態(tài)Fig.12 The test flow pattern of the head section of the cofferdam of case 1

（2）束窄河床流速。從圖13 和表5 可看出，流速計(jì)算值和試驗(yàn)值整體上吻合較好，其中，工況1：最大表面流速值計(jì)算值2.89 m/s 和試驗(yàn)值2.85 m/s 均出現(xiàn)在下游斷面0+280，前者靠近斷面左岸，后者在斷面中部；工況2：最大表面流速計(jì)算值2.55 m/s 與試驗(yàn)值2.76 m/s 均出現(xiàn)在下游斷面0+140，前者靠近斷面左岸，后者在斷面中部；工況3：最大表面流速計(jì)算值1.94 m/s與試驗(yàn)值2.09 m/s均出現(xiàn)在下游斷面0+280，均位于斷面中部。

圖13 最大表面流速試驗(yàn)值和計(jì)算值Fig.13 The test and calculated maximum value of surface velocity

表5 圍堰外側(cè)邊坡各斷面流速分布（工況1） m/sTab.5 The velocity distribution of each section of the outside slope of the cofferdam（case 1）

（3）束窄河床水面線。圖14 表明，試驗(yàn)水面線略高于計(jì)算水面線，最大絕對(duì)誤差0.25 m（工況1），水面線整體吻合良好。

圖14 試驗(yàn)水面線和計(jì)算水面線Fig.14 The test and calculated water surface profile

4.3 施工期通航

流量3 010、2 480、1 730 m3/s 的通航水力學(xué)指標(biāo)見表6。束窄河床最大正向流速均小于3.0 m/s，水深大于3 m 對(duì)應(yīng)的束窄河床水面寬均遠(yuǎn)大于最小航寬60 m，且均無回流及旋渦現(xiàn)象。所以，當(dāng)縱堰軸線布置在7 號(hào)、8 號(hào)閘墩之間時(shí)，束窄河床滿足施工期通航條件。

4.4 圍堰防沖

為了詳細(xì)分析圍堰外側(cè)邊坡、上游裹頭和下游出口在設(shè)計(jì)流量下是否會(huì)被水流沖刷，將圖6（a）中的B、C 網(wǎng)格塊沿X軸-160 m 至100 m 局部加密，單元格邊長取1 m，網(wǎng)格總數(shù)量約6×107個(gè)（圖15）。

圖15 網(wǎng)格加密Fig.15 Mesh encryption

計(jì)算得到圍堰裹頭、下游出口處表面和坡底流態(tài)分布（圖16至圖17）。

圖16 表面流態(tài)及流速測點(diǎn)Fig.16 The flow pattern and velocity measurement point on the surface

讀取流態(tài)云圖（圖16 至圖17），可求得裹頭和下游出口處表面和坡底各測點(diǎn)流速（表7）。

圖17 坡底流態(tài)及流速測點(diǎn)Fig.17 The flow pattern and velocity measurement point on the slope bottom

從表7 可以看出，圍堰上游裹頭和下游出口的表面流速和坡底流速范圍為0.31～1.90 m/s。

表7 裹頭與下游出口平均流速Tab.7 The average flow velocity of the wrap head and downstream outlet

表8 為設(shè)計(jì)流量下、網(wǎng)格加密前和加密后圍堰外側(cè)邊坡各斷面的表面和坡底的計(jì)算流速，網(wǎng)格加密后的計(jì)算流速范圍0.45～1.97 m/s，與表5中的試驗(yàn)值相比較，平均誤差更小。

表8 計(jì)算流速對(duì)比 m/sTab.8 Comparison of the calculated flow velocity

根據(jù)式（1）計(jì)算可得：粒徑200 mm 的塊石抗沖流速2.24～3.14 m/s，粒徑500 mm的塊石抗沖流速3.54～4.95 m/s。

式中：D為塊石粒徑，m。

由此可見，在設(shè)計(jì)流量下，圍堰外側(cè)邊坡、上游裹頭和下游出口流速均小于塊石的計(jì)算抗沖流速，物理模型試驗(yàn)中也沒有材料發(fā)生啟動(dòng)流失現(xiàn)象，因此，圍堰邊坡不會(huì)被水流沖刷，無需采取其他防護(hù)措施。

5 結(jié) 語

在邕寧水利樞紐工程施工階段，由于設(shè)計(jì)選用的馬登山土料場征地拆遷進(jìn)度緩慢，不可能采用設(shè)計(jì)方案按期完成圍堰備料和填筑施工。在分析現(xiàn)場可用填筑料的基礎(chǔ)上，研究提出了一期枯水圍堰的替代結(jié)構(gòu)。

（1）利用施工仿真、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法對(duì)圍堰的替代結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了優(yōu)選，結(jié)果表明，單塊石戧堤及含礫黏土體組合圍堰可充分利用現(xiàn)場開挖料，且滿足后續(xù)工程的施工進(jìn)度計(jì)劃要求，造價(jià)較低。

（2）采用數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)方法，研究了縱堰軸線不同布置的束窄河床水力特性，結(jié)果表明，縱堰軸線布置在壩體7號(hào)至8號(hào)閘墩之間時(shí)，能夠解決施工期通航和圍堰安全問題。

在城市區(qū)域內(nèi)的河流上修建水利工程，征地移民不確定性影響因素多、難度大，在圍堰施工前料場征地移民進(jìn)度不滿足要求的制約下，應(yīng)深入研究利用現(xiàn)場開挖料修筑圍堰的可能性。本文的研究成果為邕寧水利樞紐一期枯水圍堰施工提供了解決方案，對(duì)于保證工程施工進(jìn)度起到了決定性作用，可為類似工程施工提供參考?！?/p>