汪 旭，張建民，何小瀧，石旭芳，余 飛，2

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065;2.青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西寧 810000)

明渠截流可根據(jù)流量、落差等截流水力學(xué)指標(biāo)的大小來選擇單戧堤［1］或雙戧堤［2］截流，其戧堤軸線一般選擇在明渠進(jìn)口或出口的較窄部位。筆者參照國(guó)內(nèi)外已成功的工程截流經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)本工程所在地的具體水文氣象條件、地質(zhì)地形條件、現(xiàn)場(chǎng)渣料情況及特殊形狀材料［3］等因素，并結(jié)合本截流工程的大水深［4］、高流速、大落差［5－6］、高單寬功率的特點(diǎn)，按照兼顧截流難度和經(jīng)濟(jì)性的原則對(duì)原設(shè)計(jì)截流方案進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比研究了不同位置處戧堤軸線對(duì)龍口的水流流態(tài)及截流水力學(xué)參數(shù)的影響。推薦本工程采用單戧堤立堵式［7］截流的方案，可供工程設(shè)計(jì)和施工參考。

1 工程概況

某工程導(dǎo)流明渠進(jìn)口底板寬度為63.8 m、高程為982.00 m，其出口底板高程986.00 m，上游戧堤頂部高程1 012.00 m，頂部寬度 20 m，最大堰高30 m，采用河床4孔泄洪閘分流，其泄洪閘底部高程為994.00 m。

三期明渠截流龍口上下游水位落差大，合龍過程中龍口水位落差高達(dá)10 m，與同類明渠截流工程相比較高;現(xiàn)場(chǎng)料場(chǎng)所備天然材料的最大粒徑為0.5 m，其抗沖流速上限為4.95 m/s，合龍過程中流速達(dá)8 m/s，且截流進(jìn)入困難期其龍口單寬功率較大。以上幾點(diǎn)導(dǎo)致明渠截流困難，因此有必要對(duì)戧堤布置方式進(jìn)行優(yōu)化，增加工程的經(jīng)濟(jì)性，并達(dá)到順利截流的目的。

2 模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸邽?5，按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，并考慮阻力相似條件。模型范圍以滿足流動(dòng)相似為原則，模擬范圍從壩軸線以上700 m至壩軸線以下1 000 m。為便于觀察戧堤預(yù)進(jìn)占和龍口合龍時(shí)的流態(tài)、流場(chǎng)，以及對(duì)上下游水位等的影響，將0－500 m至0+600 m的河床做成動(dòng)河床，其余部分是定河床。模型平面布置圖如圖1所示。

圖1 某水電站模型平面布置圖Fig.1 Plan view of the layout of a hydropower station model

試驗(yàn)中，流量采用矩形薄壁堰進(jìn)行量測(cè)，流速采用旋漿流速儀(精度達(dá)1 cm/s)進(jìn)行測(cè)量，沿程水面線采用水準(zhǔn)儀(精度達(dá)0.2 mm)進(jìn)行測(cè)量。截流中采用4種截流材料，即模型中截流材料A為原型河床截流預(yù)進(jìn)占時(shí)采用的填筑料，換算為原型的0.1～6.5 cm的小塊石;截流材料B為模型中戧堤預(yù)進(jìn)占選用的填筑料，即原型的6～50 cm的中小塊石;截流材料C為原型河床合龍時(shí)采用的6～125 cm的大塊石;截流材料D近似原型中的2～3 m的人工四面體。所選用的截流材料抗沖流速按照伊茲巴斯公式(換算成泥沙起動(dòng)公式)進(jìn)行計(jì)算，即v=kd0.5(v為靠戧堤一側(cè)流速，k為穩(wěn)定系數(shù)，一般取值為4～5.5，d為截流材料粒徑)。由公式計(jì)算得到:A料抗沖流速1.4 m/s左右，B料抗沖流速4.95 m/s左右，C料抗沖流速6.15 m/s左右，D 料抗沖流速9.53 m/s左右。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 戧堤布置形式

3.2 截流流量選擇

根據(jù)某電站枯期來流條件，試驗(yàn)擬定4種截流流量，具體見表1。對(duì)原設(shè)計(jì)方案，在上述4級(jí)流量下用C料進(jìn)行截流試驗(yàn)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明:截流后龍口上下游最大落差隨流量的遞減分別為12.22，10.77，10.65，10.63 m，截流時(shí)龍口水位落差均超過10 m。其主要原因是當(dāng)河床4孔泄洪閘(底板高程994.00 m)開始分流時(shí)，戧堤上下游的水位落差已經(jīng)達(dá)到6.5 m左右，其在同類型明渠截流工程中較高，截流難度很大。當(dāng)龍口寬度25 m時(shí)，隨截流流量的遞減，其龍口最大流速分別為9.75，9.43，8.93，8.77 m/s，龍口最大單寬功率分別為 380，285，234，189 t·m/s·m－1。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)截流流量大于1 016 m3/s后，截流水力學(xué)指標(biāo)尤其是單寬功率太高，按正常施工拋投強(qiáng)度已無法推進(jìn)并合龍，拋投料的流失率已達(dá)90%以上。而當(dāng)流量減小至650 m3/s時(shí)，截流水力學(xué)指標(biāo)依然很高，采用C料在超高拋投強(qiáng)度下能夠勉強(qiáng)進(jìn)行合龍，但流失率仍然很高。綜上所述，本工程截流水頭高，單寬功率大，且截流材料流失率高，為滿足截流安全性，我們只選擇對(duì)截流流量650 m3/s的各方案進(jìn)行分析研究。

圖2 戧堤布置示意圖Fig.2 Sketch of dike layout

表1 截流試驗(yàn)工況Table 1 Closure test schemes

3.3 方案對(duì)比

在650 m3/s流量下對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行了試驗(yàn)，工況見表1。其試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3及圖3。

表2 各方案拋投方式及相應(yīng)的流失率Table 2 Dumping patterns and corresponding loss rates in different schemes

表3 龍口寬25 m時(shí)龍口各項(xiàng)水力學(xué)指標(biāo)Table 3 Hydraulics parameters of the closure gap(width of 25m)

圖3 戧堤龍口單寬功率曲線(Q=650 m3/s)Fig.3 Curves of unit stream power at the closure gap(Q=650 m3/s)

3.3.1 原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案布置如圖2(a)，該方案依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，將戧堤布置于明渠進(jìn)口內(nèi)，使戧堤軸線與水流流線垂直，龍口處流速均勻化。預(yù)進(jìn)占戧堤推進(jìn)前20 m時(shí)，龍口處流速均勻，但由于明渠底板光滑，進(jìn)占時(shí)流失率較大。戧堤上挑角受到水流沖擊，流失率較下挑角大，流失料部分堆積在壩軸線處。當(dāng)戧堤距導(dǎo)墻65 m左右時(shí)，上挑角采用B料流失率增大，因此開始采用C料在上挑角投擲，B料在下挑角投擲的方式進(jìn)占。此時(shí)C料能夠保證戧堤上挑角流失率較小，流失料堆積部位提前至壩軸線前。

當(dāng)進(jìn)入龍口寬度40 m左右時(shí)，戧堤受水流沖刷嚴(yán)重，B和C拋投料流失率劇增，采用D料進(jìn)行拋投。當(dāng)龍口寬度為25 m時(shí)，截流進(jìn)入困難期，其單寬功率和流速分別為188.89 t·m/s·m－1，7.80 m/s，截流試驗(yàn)拋投強(qiáng)度可以大致滿足現(xiàn)場(chǎng)所能達(dá)到條件，但其流失率增大，D料也有所流失，流失料堆積在戧堤壩軸線前，形成淺灘，部分淺灘已露出水面。龍口封堵后，總截流流失率為20.35%，能滿足截流流失率要求。

3.3.2 比選方案

比選方案布置如圖2(b)，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案流速大、流失率及單寬功率高的問題，將戧堤布置在明渠入口處河床上，戧堤軸線與明渠入口處底板平行。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于戧堤軸線與明渠并不正交，導(dǎo)致流速分布不均勻，靠戧堤一側(cè)流速略小。在預(yù)進(jìn)占時(shí)初期水流流速較小，因此在預(yù)進(jìn)占時(shí)采用B料進(jìn)行推進(jìn)。當(dāng)戧堤距明渠導(dǎo)墻80 m時(shí)，此時(shí)龍口水流對(duì)戧堤上挑角的沖刷嚴(yán)重，故采用B料、C料共同推進(jìn)。而在進(jìn)入龍口寬度30 m后，溢流壩才開始分流，此時(shí)龍口水流對(duì)戧堤沖刷導(dǎo)致堤頭坍塌嚴(yán)重，大量拋投料流失，需采用C料，D料進(jìn)行合龍。在龍口寬度為25m處，截流進(jìn)入最困難時(shí)期，其單寬功率和流速分別為181.49 t·m/s·m－1，8.20 m/s，較原設(shè)計(jì)方案有所減小。此時(shí)模型試驗(yàn)的拋投強(qiáng)度可以大致滿足現(xiàn)場(chǎng)所能達(dá)到條件。截流完成后，其流失率為17.81%，較原設(shè)計(jì)方案小，能滿足截流經(jīng)濟(jì)性要求。

3.3.3 推薦方案

推薦方案基于比選方案提出，其戧堤布置圖如圖3(c)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在戧堤推進(jìn)到距明渠導(dǎo)墻80 m前，其水流條件及拋投材料流失情況與比選方案基本相同。但在戧堤推進(jìn)到距明渠導(dǎo)墻65 m時(shí)，此時(shí)靠戧堤側(cè)水流流速仍然較小，仍可用B料繼續(xù)進(jìn)占，而當(dāng)進(jìn)入戧堤轉(zhuǎn)角時(shí)，此時(shí)外挑角流速較大，B料有所流失，流失料堆積在明渠進(jìn)口處底板上形成淺灘。

閱讀的深度、寬度和興趣不夠。筆者對(duì)近600名大二學(xué)員做了問卷調(diào)查，結(jié)果顯示很少有學(xué)員已經(jīng)完整地閱讀過10本軍事名著；近半數(shù)學(xué)員只能寫出7-8本世界軍事名著的名字；很多學(xué)員即使讀過《孫子兵法》《戰(zhàn)爭(zhēng)論》等，也是不求甚解，流于表面；只有少數(shù)學(xué)員在課余時(shí)間會(huì)閱讀軍事名著；而認(rèn)為世界名著不好讀從而對(duì)其興味索然的學(xué)員大有人在。

此時(shí)采用B料、C料共同進(jìn)占，C料拋投在上挑角挑開速度較大水流，為下挑角B料推進(jìn)創(chuàng)造有利條件。當(dāng)完全形成龍口后，水流靠導(dǎo)墻側(cè)流速較大，當(dāng)龍口寬度為30 m時(shí)，B料、C料無法正常進(jìn)占，采用D料進(jìn)行推進(jìn)。此時(shí)大部分B，C料在戧堤與縱向圍堰之間形成淺灘，同時(shí)，水流對(duì)戧堤下游坡開始沖刷，戧堤轉(zhuǎn)彎處有崩塌情況發(fā)生，需采用D料對(duì)下游坡腳進(jìn)行加固，使截流順利進(jìn)行。

當(dāng)龍口寬度為25 m時(shí)，進(jìn)入截流困難期，其單寬功率和流速分別為 162.50 t·m/s·m－1，8.70 m/s，其水力學(xué)指標(biāo)皆優(yōu)于其它兩方案。此時(shí)龍口上下游落差達(dá)到5.83 m，單寬功率達(dá)最大，試驗(yàn)拋投強(qiáng)度滿足現(xiàn)場(chǎng)所能達(dá)到的拋投強(qiáng)度，截流成功后，其截流材料流失率14.81%比其它兩方案小，能滿足截流經(jīng)濟(jì)性要求。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水流對(duì)二期圍堰剩余段進(jìn)行了沖刷掏蝕，導(dǎo)致二期圍堰剩余段部分崩塌，故合龍前需對(duì)二期圍堰剩余段所形成的裹頭進(jìn)行加固處理。

3.4 方案分析與比較

3.4.1 水力學(xué)指標(biāo)

研究成果表明:①不同戧堤軸線下，龍口上下游水位差與龍口寬度呈反比例線性關(guān)系，龍口減小，上下游水位差增大。②3方案中，龍口進(jìn)占端的最大流速均在龍口寬15 m左右出現(xiàn)，且推薦方案的龍口流速指標(biāo)優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案和比選方案。③龍口寬度30 m時(shí)，3方案中龍口斷面皆為三角形，且溢流壩開始過流，單寬功率很大，截流進(jìn)入最困難區(qū)段。④龍口寬度25 m時(shí)，3方案中單寬功率皆達(dá)最大，其中推薦方案的單寬功率最小且其龍口最大流速最小，龍口水力學(xué)指標(biāo)最優(yōu)。

3.4.2 流失率

流失率是判斷截流過程是否經(jīng)濟(jì)合理的一個(gè)重要指標(biāo)。表2為龍口寬度與流失率的關(guān)系。由表2和圖3知:①在龍口寬度從40 m向0 m推進(jìn)的過程中均用了人工立方體D料，3方案比較而言:推薦方案在40～25 m的進(jìn)占過程中D料用量更少，更加經(jīng)濟(jì)。②流失率最大的龍口區(qū)段為30～15 m，此區(qū)段龍口單寬功率大，合龍時(shí)流失率與龍口單寬功率有直接關(guān)系。

3.4.3 方案比較及分析

由表2、表3及圖3知，龍口寬25 m時(shí)其龍口單寬平均功率、及流速分別為188.89 t·m/s·m－1，7.80 m/s(原設(shè)計(jì)案)，181.49 t·m/s·m－1，8.20 m/s(比選方案)，162.50 t·m/s·m－1，8.70 m/s(推薦方案);同時(shí)原設(shè)計(jì)方案、比選方案、推薦方案的總流失率分別為20.35%，17.81%，14.81%。因此，比選方案和推薦方案的水力學(xué)指標(biāo)及流失率皆優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案，其中推薦方案的水力學(xué)指標(biāo)最優(yōu)。在此主要對(duì)比選方案和推薦方案進(jìn)行了對(duì)比。推薦方案主要對(duì)比選方案龍口水流流態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，前期龍口水流靠戧堤側(cè)流速小于靠導(dǎo)墻側(cè)流速。而在截流后期，尤其是進(jìn)入截流困難期后，龍口水流在導(dǎo)墻與二期圍堰相互作用下，戧堤裹頭處形成繞流，通過增加流程，減小水流坡降;此外，流程形勢(shì)由直到彎，水流紊動(dòng)增強(qiáng)，流動(dòng)阻力增加，動(dòng)能耗散增加［8］，從而降低了龍口流速。同時(shí)由于水流在龍口處會(huì)產(chǎn)生反“S”形轉(zhuǎn)彎，使龍口水流流速分布不均勻，靠導(dǎo)墻側(cè)流速較大，減小水流對(duì)戧堤的沖刷。而在進(jìn)占中，會(huì)有充足時(shí)間對(duì)戧堤下游側(cè)加固，減小水流對(duì)戧堤的沖刷。同時(shí)本戧堤方案充分利用導(dǎo)墻抗沖性能，使水流沖擊導(dǎo)墻，降低水流流速，減少了人工截流材料D料的使用量。而流失的截流料堆積在明渠入口處，對(duì)戧堤下游坡腳起到一定保護(hù)作用。同時(shí)推薦方案中戧堤占用較大部分河道，影響到分流建筑物過流能力，龍口下游擴(kuò)散區(qū)水流波動(dòng)較大，對(duì)戧堤坡腳掏蝕嚴(yán)重，因此需對(duì)戧堤軸線下游做好坡腳護(hù)坡工程。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，在4種截流流量下進(jìn)行了截流試驗(yàn)，確定了截流流量為650 m3/s。并綜合對(duì)比預(yù)進(jìn)占的試驗(yàn)結(jié)果，擬定了在650 m3/s流量下的3種單戧堤截流方案。綜合對(duì)比各方案水力特性參數(shù)，可知:推薦方案與原設(shè)計(jì)方案和比選方案相比，其各項(xiàng)水力學(xué)指標(biāo)最優(yōu)、流失率最小且人工立方體用料最少，可作為截流推薦方案。此方案通過改變戧堤軸線及其位置來影響龍口水流流態(tài)，增長(zhǎng)了水流流程，降低了水力坡降，使水流直沖明渠導(dǎo)墻，在龍口處會(huì)產(chǎn)生反“S”形轉(zhuǎn)彎，使流程形式由直到彎，

水流紊動(dòng)增強(qiáng)，流動(dòng)阻力增加，動(dòng)能耗散增加［8］，并使龍口流速分布不均勻、龍口進(jìn)占端流速較小、水力學(xué)指標(biāo)較優(yōu)，達(dá)到了降低截流難度的目的。對(duì)類似高落差明渠截流工程具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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