林陶楓，楊 慶，戴光清

（1．中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明650051 2．四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065）

長(zhǎng)河壩水電站上游過水圍堰堰面防護(hù)方式試驗(yàn)研究

林陶楓1，楊 慶2，戴光清2

（1．中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明650051 2．四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065）

長(zhǎng)河壩水電站過水圍堰在初期過流時(shí)基坑為干地狀態(tài)且基坑壅水時(shí)間較長(zhǎng)，上游圍堰上下游水位差大，因而適當(dāng)?shù)难呙娣雷o(hù)方式是確保過水圍堰順利度汛的制約因素。試驗(yàn)比較了3種上游圍堰堰面防護(hù)方式，量測(cè)了上游圍堰范圍內(nèi)水力學(xué)特性指標(biāo)，檢驗(yàn)了上游圍堰的過流穩(wěn)定狀況。試驗(yàn)表明：在堰面防護(hù)材料與墊層料之間設(shè)置防沖透水材料（如網(wǎng)狀土工織物），可以防止水流淘刷堰體料，有效地增強(qiáng)上游圍堰的過流穩(wěn)定性；上游圍堰度汛安全可得到保證。圖3幅，表1個(gè)

水電站；上游過水圍堰；防護(hù)方式；過流穩(wěn)定性

0 引 言

我國(guó)西南部山區(qū)性河流較多，一般比較狹窄，洪水匯流歷時(shí)短，洪水陡漲陡落，峰尖量大，因此廣泛采用過水圍堰加隧洞導(dǎo)流的方式［1］。采用過水圍堰的導(dǎo)流方式在國(guó)內(nèi)外已得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，事實(shí)證明，它是既經(jīng)濟(jì)又合理的［2］。土石過水圍堰是散粒體結(jié)構(gòu)，過堰水流對(duì)堰體土石料的淘刷輸移作用是圍堰失穩(wěn)的主導(dǎo)因素。土石過水圍堰失穩(wěn)與土石壩潰決具有一定的相似性［3_7］。土石過水圍堰過流時(shí)，大多從上游圍堰的下游堰面局部破壞開始，故上游圍堰堰面防護(hù)方式關(guān)系到上游圍堰的過流穩(wěn)定性。本文以長(zhǎng)河壩水電站過水圍堰為例，對(duì)比不同堰面防護(hù)方式對(duì)圍堰過流穩(wěn)定性的影響，系統(tǒng)分析過堰水流特性，提出適應(yīng)此類情況的上游圍堰堰面防護(hù)方式設(shè)計(jì)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

長(zhǎng)河壩水電站壩型為礫石土心墻堆石壩，電站裝機(jī)容量2600MW，2條導(dǎo)流洞均布置在右岸。上下游圍堰間距約1180.0m。首次過流前，由于工期較緊，上下游圍堰無(wú)預(yù)留導(dǎo)流缺口，基坑不能預(yù)充水，基本處于干地狀態(tài)，基坑內(nèi)形成壅水狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，可能危及上游圍堰過流穩(wěn)定性。上游圍堰頂高程為▽1490.0m，頂寬180.9m，上游側(cè)以坡度1∶3.0與上游河床相連，下游以坡度1∶5.0的堰坡與基坑相連。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水工模型試驗(yàn)采用動(dòng)床正態(tài)模型，按重力相似原則并兼顧阻力相似條件設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶45，采用柔性混凝土面板和鋼筋石籠2種堰面防護(hù)措施，提出2種方案進(jìn)行優(yōu)化比較，論證其對(duì)上游圍堰過流穩(wěn)定性的影響。方案一是上游圍堰頂平臺(tái)軸線前16m及軸線后直到下游側(cè)堰腳處鋪設(shè)（長(zhǎng)×寬×厚分別為8m×8m×0.8m）柔性混凝土面板防護(hù)；方案二是上游圍堰頂平臺(tái)軸線前20m及軸線后直到下游側(cè)堰腳處鋪設(shè)（長(zhǎng)×寬×厚分別為2m×2m×1.5m）鋼筋石籠防護(hù)，鋼筋石籠左右縱、橫串接。2個(gè)方案中堰腳后均采用長(zhǎng)15m、厚1.5m的鋼筋石籠壓腳防護(hù)。試驗(yàn)在流量Q＝3380、4170、4690、5180m3／s下進(jìn)行。

3 優(yōu)化試驗(yàn)研究

3.1 對(duì)比試驗(yàn)

過流之前基坑基本為干地，2個(gè)方案中初期過流時(shí)上游圍堰堰腳鋼筋石籠保持穩(wěn)定。在方案一中，隨著流量逐漸增大，上游圍堰下游堰面與左右岸巖體的交界縫隙處的堰體填筑料被逐漸沖刷，個(gè)別柔性混凝土面板沉陷后產(chǎn)生變形、沉陷或傾覆，從而引起周圍的柔性混凝土面板產(chǎn)生如上的破壞過程；直到防滲墻處，形成局部的破壞面。在流量達(dá)到3380m3／s時(shí)，方案一中上游圍堰下游堰面上的柔性混凝土面板基本破壞。而在方案二中，隨著流量逐漸增大，串連的鋼筋石籠隨機(jī)發(fā)生翻卷，再帶動(dòng)周圍的鋼筋石籠產(chǎn)生如上的破壞過程；當(dāng)流量達(dá)到4000m3／s左右時(shí)，上游圍堰頂平臺(tái)上的護(hù)面鋼筋石籠大部分破壞。2個(gè)方案中堰面防護(hù)措施均失效（見圖1）。

失穩(wěn)原因分析：

（1）2個(gè)方案都未在堰面防護(hù)材料與墊層料之間設(shè)置適當(dāng)防沖透水材料。護(hù)面材料與兩岸巖體以及護(hù)面材料相互間連接處都存在縫隙。防護(hù)材料下的墊層料會(huì)被流速較高的主流從縫隙中帶走［9］。堰面防護(hù)材料失去墊層料的支撐保護(hù)，容易發(fā)生變形和傾覆。

（2）堰腳護(hù)腳的鋼筋石籠受到主流的淘刷后，流失較嚴(yán)重，對(duì)下游堰面上防護(hù)材料的支承作用減弱，堰體料的流失通道擴(kuò)大，導(dǎo)致堰面防護(hù)材料整體向下滑移。

（3）由于在表面和底部的流速差而引起的揚(yáng)壓力作用下堰面防護(hù)材料會(huì)發(fā)生側(cè)翻和傾覆，從而造成柔性混凝土面板或鋼筋石籠的失穩(wěn)，進(jìn)而又增加了縫隙寬度，加劇堰體填筑料的流失，形成由點(diǎn)到面的“連鎖反應(yīng)”。

（4）上游圍堰堰頂平臺(tái)和堰腳高程差約12.0m，在流量3380m3／s工況下堰腳處流速較大。在流量3380m3／s工況下，下游堰面實(shí)測(cè)最大流速約10.3m／s，較大的水流拖曳力使柔性混凝土面板或鋼筋石籠產(chǎn)生變形和失穩(wěn)，且堰面開始過流時(shí)，基坑為干地，過流后基坑沖刷嚴(yán)重，從而造成堰面防護(hù)失效。

圖1 上游圍堰過流情況

3.2 堰面防護(hù)優(yōu)化

通過失穩(wěn)原因的分析，證明一是墊層料的穩(wěn)定是維持上游圍堰過流穩(wěn)定性的必要條件；二是堰面防護(hù)面材料與墊層料之間若不設(shè)置防沖透水措施，流速較大的水流容易直接淘刷墊層料，不利于減少堰面防護(hù)面材料抬動(dòng)的危險(xiǎn)和增強(qiáng)上游圍堰的過流穩(wěn)定性。從國(guó)內(nèi)類似過水圍堰工程堰面防護(hù)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鋼筋石籠的抗沖流速大約為9.0m／s左右，而柔性混凝土面板的抗沖流速大約為14.0～20.0 m／s。方案一和方案二中實(shí)測(cè)的上游圍堰頂平臺(tái)上的流速基本小于9.0m／s。因此堰面防護(hù)方式改為：在上游圍堰防滲墻前20.0m到后48.15m范圍內(nèi)改用（長(zhǎng)×寬×厚為2.0m×2.0m×1.5m）鋼筋石籠保護(hù)，此后的30m上游圍平臺(tái)到下游側(cè)堰腳均采用（長(zhǎng)×寬×厚為10.0m×10.0m×0.8m）柔性混凝土面板保護(hù)。柔性混凝土面板上下并錯(cuò)縫搭接，鋼筋石籠錯(cuò)縫串接，同時(shí)在堰面防護(hù)材料與墊層料之間設(shè)置防沖透水材料——網(wǎng)狀土工織物（型號(hào)為CE131土工網(wǎng)，寬度為2.5m，網(wǎng)孔大小為2.7cm×2.7cm，網(wǎng)厚為5.2mm，原料為HDPE，最大負(fù)荷伸長(zhǎng)率為16.5%，單位面積質(zhì)量為660g／m2，最大抗拉強(qiáng)度為6.8kN／m，最大應(yīng)變時(shí)的抗彎強(qiáng)度為35MN／m2，沖擊強(qiáng)度為13.2kJ／m2，抗拉沖擊強(qiáng)度為400kJ／m2）。

順?biāo)鞣较驈纳嫌螄咻S線前20m處直到堰腳鋪設(shè)長(zhǎng)度為300m。在保持網(wǎng)狀土工織物自身穩(wěn)定性的前提下，與堰體及兩岸巖體用適當(dāng)?shù)倪B接方式連接。下游側(cè)坡度仍為1∶5，堰腳鋪設(shè)15m、厚為1.5m的鋼筋石籠壓腳，其后再鋪設(shè)25m大塊石；試驗(yàn)的流量工況同前。

3.3 過堰流態(tài)

在各級(jí)流量下，推薦方案的堰面防護(hù)材料能有效地防護(hù)上游圍堰堰面（見圖2）。上游圍堰頂平臺(tái)處水流平順，水流分布均勻。

由于受平臺(tái)上堰面防護(hù)材料的影響，在鋼筋石籠與柔性混凝土面板交界處形成水面跌落。水流從下游堰面變坡處開始逐漸加速直到堰腳，在堰腳處形成遠(yuǎn)驅(qū)式水躍；主流在經(jīng)過上游圍堰堰頂后，側(cè)收縮較嚴(yán)重，兩側(cè)有明顯的斜向卷流。水躍躍首主要位于堰腳下游20.0～30.0m范圍內(nèi)的河道中右側(cè)，經(jīng)過80.0～100.0m河道調(diào)整后，水流分布較為均勻。

圖2 推薦方案上游圍堰過流情況（Q＝5180m3／s）

3.4 特征水力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)量測(cè)了各種流量工況下上游圍堰范圍內(nèi)水力學(xué)特性指標(biāo)（見圖3、表1）。

圖3 上游圍堰范圍內(nèi)流速分布

表1 推薦方案上游圍堰范圍內(nèi)水力學(xué)特性指標(biāo)

在堰面防護(hù)材料和墊層料之間設(shè)置防沖透水材料（網(wǎng)狀土工織物）后，墊層料較少被水流淘刷帶走，堰面防護(hù)材料能有效的防護(hù)堰體。由表1以及圖3可以看出：在各級(jí)流量下，上游圍堰范圍內(nèi)底流速和表流速都沿程逐漸增大，均在水躍躍首處達(dá)到最大值；隨著流量增大，水躍躍首位置向上游圍堰下游堰面爬升。在各級(jí)流量下，上游圍堰頂平臺(tái)上的流速基本小于8.0m／s，而上游圍堰水躍躍首最大流速為10.9～13.3m／s；且在各級(jí)流量下，上游圍堰的單寬流量為22.9～41.5m2／s，均小于50m2／s；而沖坑坡度為1∶4.3～1∶2.7；在Q＝5180m3／s時(shí)，沖坑坡度為1∶2.7，雖大于1∶3.0，但由于防護(hù)堰腳的鋼筋石籠和防護(hù)下游堰面的柔性混凝土面板的柔性支承調(diào)節(jié)作用，使上游圍堰堰體仍然能保持較好的過流穩(wěn)定性，堰面防護(hù)材料不會(huì)發(fā)生傾覆、變形等破壞。上游圍堰的過流穩(wěn)定性增強(qiáng)。

4 結(jié) 論

在過水圍堰的上下游圍堰間無(wú)預(yù)設(shè)導(dǎo)流缺口，基坑不能預(yù)充水的情況下，在上游圍堰堰面防護(hù)材料與墊層料之間應(yīng)設(shè)置防沖透水材料（網(wǎng)狀土工織物），可以防止水流淘刷墊層料，避免堰面防護(hù)材料的變形和傾覆。該堰面防護(hù)方式既能良好保持堰腳穩(wěn)定，又能有效地減小防護(hù)堰面的柔性混凝土面板和鋼筋石籠抬動(dòng)的危險(xiǎn)，維持堰體的穩(wěn)定；從而使上游圍堰堰體過流較安全，主流與下游河道平穩(wěn)連接。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2015－01－20

林陶楓（1984－），男，碩士研究生，主要從事水工水力學(xué)方面的研究工作。