瀑布沟水电站宽戗堤截流水工模型试验及应用

　　摘要:为大渡河瀑布沟水电站截流工程选择截流方案进行水工模型试验。试验采用宽戗堤截流,设计戗堤顶宽分别为25 m和60 m的两种试验方案。试验结果表明:龙口水面线第二次跌落时,方案1在戗堤下游坡脚线附近形成的舌状体大于方案2,更能充分利用突扩造成的局部水头损失。因此选择方案1作为最终截流方案。其合理性得到了工程实践的验证,具有一定推广价值。

　　关键词:宽戗堤; 截流水力条件; 模型试验; 瀑布沟水电站

　　中图法分类号: TV551. 2 文献标志码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2010) 02 - 0025 - 03

　　近年来,随着西部流域开发和截流工程技术进展,相比单戗和双戗堤,宽戗堤截流更具优势,其主要优势体现在以下3个方面: ①增加了龙口水流沿程摩阻损失,从而可降低龙口水流流速,利于抛投材料的稳定。②使龙口水面线呈现二次明显跌落,充分利用龙口突缩与突扩造成的两次局部水头损失。③改善龙口垂线流速分布规律。当龙口呈三角形断面后,依靠底部较大的摩阻力,促使龙口水流底部流速逐步沿程减小,使龙口中心线水流垂线分布规律从进口处的近似矩形分布到出口呈现近似天然河道的垂线流速分布,即垂线流速分布呈1 /6或1 /7指数分布。为此要求龙口中心线水深L 与戗堤底部宽度h之比L / h > 12 (对水下宽戗应计算到水舌体顶部下游末端) 。本文以瀑布沟水电站工程截流为例,阐述宽戗堤截流的水流条件及工程实践。

　　1　工程概况

　　瀑布沟水电站工程位于大渡河中游汉源与甘洛两县境内,是以发电为主,兼有防洪、拦沙等综合利用的大型水电工程。电站装机容量330万kW。挡水建筑物为砾石土心墙堆石坝,最大坝高为186 m。

　　坝址处大渡河由南北向急转至近东向,平面上呈L型。坝址河段坡陡流急,水面比降大于3‰,不具备通航条件,河床部位有约60 m深的覆盖层,渗透系数一般为2. 30 ×10- 2 ～1. 04 ×10- 1 cm / s,系强透水层。

　　工程设计采用两条隧洞导流,导流洞高16. 5 m,宽13. 0 m,洞身为马蹄形断面,断面面积201 m2。导流洞进口高程673. 0 m,出口高程668. 0 m。1号导流洞长为926 m,底坡为5. 4‰; 2号导流洞长为1 003 m,底坡为5. 0‰。截流流量选用11月中旬10 a一遇旬平均流量1 000 m3 / s。截流计算落差4～5 m,龙口最大流速7～8 m / s。

　　2　截流方案及戗堤轴线的选择

　　(1) 截流方案的选择。因坝址河床天然比降较大,不宜采用双戗堤截流,因无法护底加糙,为减轻截流难度决定采用宽戗堤截流。经参建四方(设计、业主、施工、科研四方)协商拟定了两种不同形式的宽戗方案。方案1:戗堤顶宽仍采用原设计25 m,满足抛投强度1. 0万～1. 5万m3 /d的要求。允许截流困难段抛投料流失,让流失材料在戗堤下游形成舌状体,即形成水下宽戗堤,舌状体伸出戗堤长度以20 t混凝土四面体能在水舌末端稳定为准。方案2:采用60 m戗堤顶宽。

　　(2) 戗堤轴线的选择。原截流戗堤布置于上游围堰体内,为大坝永久工程的一部分,戗堤轴线平行于大坝轴线。模型试验发现上述布置存在如下缺点: ①由于大渡河在该处由南北向急转至近东向,致使戗堤轴线与河岸不垂直,使戗堤增长,截流工程量大; ②截流戗堤下游坡脚处的河床地形为一顺水流向跌坎,不利于抛投材料的稳定; ③戗堤轴线距导流洞口较远,而坝址河床天然比降较大,在同龙口宽度条件下,减少了导流洞的分流比,增加了龙口水流流速。因此,建议将截流戗堤从原围堰中分离出来,使戗堤轴线垂直于河岸,在不影响导流洞进口流态条件下尽量上移至导流洞进口附近。

　　3　模型试验研究

　　(1) 模型设计。试验模型按重力相似准则设计为正态整体模型,比尺为1 ∶70,模型模拟原型河段约3 200 m (沿深泓线) 。其中坝轴线上游1 200 m,坝轴线下游2 000 m。在截流戗堤轴线上下一定范围内采用局部动床模拟。

　　(2) 方案1试验成果。在设计条件下:截流流量为Q = 1 000 m3 / s,导流洞进口高程673. 0 m,出口高程668. 0 m。

　　抛投进占试验发现,当龙口顶宽B = 50. 0 m时,粒径为0. 7 m以下块石开始流失,但流失材料均落至下游冲坑中起填坑作用,并逐步向下游延伸抬高形成舌状体。当B = 38. 5 m时,左、右堤头在戗堤轴线处相接形成三角形断面;当B = 20. 0 m时,龙口最大流速达8. 30 m / s,此时相应落差z = 4. 76 m。当B <20 m后截流难度开始降低,抛投20 t混凝土四面体均能停留在龙口不再流失。不用混凝土四面体采用粒径为0. 7～1. 0 m大石进占,虽有部分流失,但也可以顺利合拢。

　　设计条件下,最终截流落差z = 4. 76 m,宽70 m的龙口抛投总量为25 540 m3。抛投材料流失总量为2 150 m3 ,占总用量的8. 4%。龙口动床冲刷最大深度为6. 4 m。舌状体平台最大厚度约9. 0 m,舌状体平台到戗堤下游坡脚线最大距离约25. 0 m。

　　由于导流洞进出口均未挖到设计高程,进口部位存在3. 0 m的高围堰残埂,出口部位存有4. 0 m的高围堰残埂。在以上现状边界条件下,截流流量Q =1 000 m3 / s的试验成果表明:截流水力学参数比设计条件下有较大提高。如最终落差提高到5. 91 m,龙口最困难时刻出现在B = 20 m时,此时龙口最大流速为8. 77 m / s,相应落差为5. 29 m。

　　抛投材料总流失量达7 400 m3 ,占70 m宽龙口总用量19. 4%。龙口最大冲刷深度达7. 53 m,水舌平台距下游坡脚线最远距离约为30 m, 且需抛粒径为1. 0～1. 3 m特大块石,其他各级抛投材料也须提前15～20 m使用(对龙口的宽度而言) 。

　　(3) 方案2试验成果。在现状边界条件下,方案2抛投试验成果表明: ①各级相同口门宽度条件下,上游水位壅高0. 01～0. 09 m,导流洞分流量相应增加3～40 m3 / s。与方案1比,在一定程度上降低了截流难度,但降低程度十分有限。②在整个截流过程中,抛投材料流失量较方案1减少了2 810 m3 ,抛投材料粒径有所减小,未使用特大块石。大石总用量减少了3 140 m3 ,但由于本身体积较大, 70 m宽龙口总抛投用量增加了16 512 m3。③方案2虽然整个截流流失量减少,最终合拢时,下游舌状体尾端伸出堤外相对长度较短,但由于下游坡脚线相对下移,实际舌状体尾端距戗堤轴线距离较远,散落到上游围堰防渗墙部位的块石比方案1多。④施工抛投强度受施工道路等众多因素的影响,单纯增大堤顶宽度,对施工强度的增加不会很大,而戗堤工程量增加较大,因此,整个截流时间将会增加。

　　龙口水面线第二次跌落多发生在戗堤下游脚线附近,有一定长度的舌状体,更有利充分利用突扩造成的局部水头损失,因此瀑布沟工程截流选用方案1。

　　4　工程实践

　　瀑布沟截流工程于2005年11月21日正式实施,实际截流流量为880～920 m3 / s,仅用5 h即冲过龙口困难段,使龙口宽度缩至10. 3 m。整个截流合拢过程中,实测最大流速为8. 1 m / s,相应落差为4. 92 m,基本与模型试验一致。

　　5　结语

　　(1) 宽戗堤截流具有增大水流沿程摩阻损失,改变龙口垂线流速分布,降低底部流速和能够充分利用突缩与突扩两次局部损失等有利水力条件,对突扩等的水下戗堤尤其有利。

　　(2) 大渡河瀑布沟截流模型试验成果及工程实践表明:采用顶宽25 m的戗堤,允许截流困难段产生抛投料流失, 形成一定长度的舌状体即所谓“水下宽戗”,在不进行护底加糙、落差大于5 m、截流流速大于8 m / s的条件下,顺利实现了截流,因此对我国西部深覆盖层、大比降河流的截流,采用水下宽戗截流是一种较经济、有效的工程措施,具有推广价值。

　　参考文献:

　　[1]　车清权. 大渡河瀑布沟水电站工程截流模型试验研究报告[R]. 武汉:长江科学院, 2004.

　　[2]　刘力中,杨文俊. 大江截流水力学研究综述[J]. 中国三峡建设,1999, (5) : 35 - 36.

　　[3]　中华人民共和国国家发展和改革委员会. DL/T5361 - 2006,水利水电施工导截流模型试验规程[S]. 北京: 中国电力出版社, 2007.

　　作者简介:刘珊燕,女,工程师,主要从事水力学模型试验研究。