沙坪一級水電站束窄河床施工導(dǎo)流研究

摘要：針對束窄河床施工導(dǎo)流的迎水側(cè)淘刷問題，結(jié)合沙坪一級水電站工程實際條件，提出較經(jīng)濟(jì)安全的迎水側(cè)防護(hù)形式。通過導(dǎo)流模型試驗、公式計算等多種方式分析了束窄側(cè)河床的流速流態(tài)，劃分了高沖刷風(fēng)險區(qū)域和正常區(qū)域；利用高合金網(wǎng)兜材料，對高沖刷風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行防護(hù)。結(jié)果表明：經(jīng)歷汛期的大流量沖刷，迎水側(cè)坡面實際運(yùn)行情況驗證了設(shè)計的合理性以及防護(hù)的可靠性。研究成果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：束窄河床； 施工導(dǎo)流； 沙坪一級水電站

中圖法分類號：TV222文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.012

文章編號：1006-0081（2024）S2-0039-04

0引言

分期導(dǎo)流是常規(guī)水電工程中的主要導(dǎo)流方式，一般適用于流量大、河床寬、水頭較低等具備較寬裕施工條件的工程［1］。分期導(dǎo)流會利用現(xiàn)有地形地質(zhì)條件進(jìn)行導(dǎo)流建筑物的布置，一期導(dǎo)流通常采用土石圍堰對原始河床進(jìn)行束窄，以土石圍堰作為擋水建筑物，由剩余原始河床過流。一期土石圍堰縱向段束窄率較高，導(dǎo)致流速增加、水位升高，改變了剩余原始河床的流態(tài)，使迎水側(cè)流速加快，產(chǎn)生淘刷風(fēng)險。通常采用混凝土護(hù)坡或者塊石護(hù)坡的防護(hù)形式［2-3］，近些年也采用膠結(jié)砂礫石等新材料進(jìn)行防護(hù)［4］。

一期土石圍堰上下游側(cè)通常與岸坡直接相接，保護(hù)一期基坑施工安全。圍堰與岸坡相交的角度一般為90°～135°。若圍堰與岸坡呈90°，束窄河床區(qū)域進(jìn)出口河床將發(fā)生突變，過流區(qū)域內(nèi)的流態(tài)將較紊亂，流速也會有較大的突變，加大了圍堰受沖刷的風(fēng)險［5］。因此，在有條件的情況下，通常將圍堰與岸坡呈大角度相接布置［6-7］。

施工工程所在區(qū)域條件多變，部分束窄河床的圍堰與岸坡會采用垂直相接的布置方式，加劇了圍堰的沖刷。為研究束窄河床的水力學(xué)機(jī)理，部分學(xué)者采用計算機(jī)模擬技術(shù)，對束窄河床導(dǎo)流進(jìn)行分析［8-9］，也有學(xué)者建立了平面二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究［10-11］。但是，對于復(fù)雜邊界條件的束窄河床導(dǎo)流工程，應(yīng)采用一定比例的實體導(dǎo)流模型試驗作為設(shè)計依據(jù)［12-14］。本文采用理論模型，分析沙坪一級水電站束窄河床的流速與流態(tài)，并通過實際應(yīng)用驗證理論模型和抗沖設(shè)計的合理性。

1工程概況

沙坪一級水電站為Ⅱ等大（2）型工程，位于四川省樂山市金口河區(qū)境內(nèi)，采用束窄河床分期導(dǎo)流方式。工程施工區(qū)域內(nèi)的河道從上游至下游呈拐彎狀，河道狹窄，左右岸分別有成昆鐵路和國道通過，上游靠近基坑側(cè)存在一條泥石流溝，下游側(cè)左岸河床分布凸出巖體，束窄河床下游側(cè)出口左岸分布地方工業(yè)區(qū)。受上述環(huán)境邊界條件和大流量的限制，一期圍堰上游整體基本與國道呈垂直角度布置。以上限制條件，導(dǎo)致一期圍堰迎水側(cè)部分區(qū)域流速較大，流態(tài)變化較嚴(yán)重。

2模型試驗

2.1模型建立

根據(jù)相似原理，模型與原型的主要力學(xué)相似條件如下。

（1） 流場中任意一個相應(yīng)點(diǎn)處的流體質(zhì)點(diǎn)上，作用著同性質(zhì)的一個或數(shù)個力；

（2） 所有作用在相應(yīng)點(diǎn)處（以單位流體體積計算）的同名力比值是相同的；

（3） 流動的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)起始條件及邊界條件相同；

（4） 模型水流必須是充分紊動，要求模型水流的雷諾數(shù)1 000≤Re≤2 000；

（5） 要使表面張力不干擾模型水流運(yùn)動，要求模型水流水深至少大于2 cm；

（6） 模型水流位于阻力平方區(qū)，而又嚴(yán)格滿足幾何相似條件，則阻力相似自然得到滿足，從而模型滿足比例要求。

2.2物理模型

模型范圍：上至壩軸線以上500 m，下至壩軸線以下600 m；以上游圍堰為界，模型的上游高程不低于580.0 m、下游高程不低于575.0 m。同時，模擬范圍要保證水庫來流穩(wěn)定，下游河道足夠長。試驗采用正態(tài)、定床模型（部分動床），模型比尺為1∶60，見圖2～3。

2.3試驗結(jié)果

上游圍堰入水口處水流平順，流速分布均勻，在10 a一遇洪水流量下（Q=6 375 m3/s），平均流速約為4～6 m/s。水流進(jìn)入河床束窄范圍后，受左岸地形和右岸一期圍堰轉(zhuǎn)角影響，水流流速增大，束窄河床段主流沿河道中心偏左，在Q=6 375 m3/s流量下，入口處流速增至約7.5 m/s；進(jìn)入圍堰直段范圍后流速沿程逐漸降低至約5.5 m/s。在下游出水口處，由于水流受到左岸岸坡的頂托作用，主流緊貼河道左岸，岸坡處水面壅高，水面比降增大，水面波動劇烈并產(chǎn)生漩渦；在Q=6 375 m3/s流量下，左岸岸坡最大流速約7.5 m/s。水流離開河床束窄段后在右側(cè)岸坡產(chǎn)生了回流，回流流速小于2 m/s，主流位于河道左岸，流速分布較為均勻，設(shè)計流量下整體平均流速為 5～6 m/s。流速分布情況如圖4所示。

3束窄河床施工導(dǎo)流設(shè)計

一期圍堰整體呈“C”字形布置于右岸，圍堰上下游與右岸國道連接，形成完整的施工通道。上游側(cè)靠近泥石流溝溝口，為避免泥石流影響，一期圍堰上游側(cè)堰頭基本與國道垂直相接，避開了泥石流溝口。下游側(cè)靠近河道拐彎處，為避免河道束窄影響出口的流速流態(tài)，一期圍堰下游側(cè)堰頭布置于拐彎處河道右岸，距離壩軸線約295 m，充分保證了一期束窄河床出口流速流態(tài)的均勻分布，減少了兩岸的沖刷。

一期圍堰縱向段河床較為順直，河床寬度較窄，結(jié)合左岸束窄河床的束窄要求，同時考慮一期基坑施工需要，一期圍堰縱向段整體沿河床走向布置，原始河床平均束窄約40%，同時滿足了左岸河床過流及基坑施工要求。一期圍堰縱向段轉(zhuǎn)折后順接上下游側(cè)堰頭。

該工程塊石嚴(yán)重缺乏，難以采用大面積塊石拋填或碼放防護(hù)。結(jié)合模型試驗成果，一期圍堰迎水側(cè)坡面上部采用鋼筋石籠防護(hù)，下部采用高合金網(wǎng)兜防護(hù)?？裳须A段，束窄河床拐彎段采用防淘墻+單層合金網(wǎng)兜防護(hù)。技施階段，結(jié)合實際施工條件，束窄河床拐彎段采用雙層合金網(wǎng)兜防護(hù)，其余區(qū)域仍為合金網(wǎng)兜防護(hù)。一期土石圍堰典型剖面如圖5所示，實際施工面貌如圖6所示。

4圍堰運(yùn)行成果分析

沙坪一級水電站一期導(dǎo)流圍堰經(jīng)歷了一個主汛期，迎水側(cè)坡面共12處表層單個合金網(wǎng)兜發(fā)生網(wǎng)面破壞，導(dǎo)致內(nèi)部較小粒徑塊石流失，其他均未產(chǎn)生破壞（圖7）。二期截流后，縱向土石圍堰迎水側(cè)水位較低，可觀察底部合金網(wǎng)兜防護(hù)情況。經(jīng)整體查看，一期圍堰迎水側(cè)坡面合金網(wǎng)兜未發(fā)生較大面積破壞（圖8）。局部碼放不到位的合金網(wǎng)兜整體形態(tài)較差，但可明顯觀察到一期坡面受水流沖刷后，帶動附近合金網(wǎng)兜產(chǎn)生部分變形，使合金網(wǎng)兜適應(yīng)了該區(qū)域的流速流態(tài)，防護(hù)了合金網(wǎng)兜內(nèi)部堰體。按要求碼放的合金網(wǎng)兜區(qū)域，無渣料掛于合金網(wǎng)兜坡面，合金網(wǎng)兜從高到低相互疊壓整齊，幾乎未受影響。綜合以上可以看出：一期土石圍堰迎水側(cè)水流流速較大，沖刷較嚴(yán)重；相互疊壓的合金網(wǎng)兜經(jīng)受住了洪水的沖刷，起到較好防護(hù)作用。

5結(jié)論

（1） 導(dǎo)流期間，束窄河床范圍內(nèi)流速及流態(tài)情況基本與導(dǎo)流模型試驗成果接近，流態(tài)復(fù)雜、流速較大位置均位于一期圍堰上下游轉(zhuǎn)角位置堰腳處。模型試驗對實際施工起到了良好的指導(dǎo)作用。

（2） 經(jīng)水工模型成果分析，沙坪一級水電站“S”形河床一期導(dǎo)流圍堰設(shè)計針對流態(tài)復(fù)雜、流速較大部位進(jìn)行了重點(diǎn)防護(hù)，克服了缺乏塊石的困難，采用高合金網(wǎng)兜進(jìn)行防護(hù)，圓滿完成了一期導(dǎo)流階段的防護(hù)任務(wù)。

（3） 一期圍堰表面掛渣和堰腳沖刷情況充分說明了束窄河床導(dǎo)流位于堰腳處的沖刷較大，同時一期坡面運(yùn)行情況良好，也反映出合金網(wǎng)兜起到了較好的防護(hù)作用。

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（編輯：高小雲(yún)）