吳建軍

(新疆塔里木河流域和田管理局,新疆 和田 848000)

1 概 述

目前,國內(nèi)用于農(nóng)業(yè)灌溉的土壩水庫惡化嚴重,尤其在和田河流域,需要緊急且具有成本效益的修復(fù)[1-2]。此外,每年都有大量的土壩因洪水漫溢超過溢洪道的排水能力或地震影響而嚴重受損,甚至完全失效[3]。為了大幅提高此類小型土壩邊坡在溢流和地震荷載作用下的穩(wěn)定性,研究人員提出在土壩背部堆放向下傾斜的土袋,并在土壩內(nèi)部錨固土工合成材料來保護邊坡[4-5]。該系統(tǒng)稱為加長尾部土工袋(GSET),旨在緊急臨時洪水期間,保證溢洪道正常運行。

土工袋系統(tǒng)具有自約束機制,其拉力在土工袋板中被調(diào)動,并伴隨著回填土的壓縮而變形。這種機制提高了填充體中的圍壓,使得填充體的強度增加[6]。因此,通過預(yù)壓實在土工合成材料土袋內(nèi)形成較大拉力。堆疊式土工袋系統(tǒng)由于上覆土袋重量的限制作用,可以在溢流中保持穩(wěn)定[7]。另外,需要通過植被覆蓋等措施,保護放置在下游堤壩上的土工袋外表面免受紫外線照射。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

和田河流域位于塔克拉瑪干沙漠南緣、昆侖山北麓,流域總面積48 870km2。該地區(qū)氣候干燥,降水稀少,多年平均潛在蒸發(fā)量2 648.7mm,多年平均降水量僅為39.6mm,多年平均氣溫12.8℃,屬于暖溫帶大陸性干燥荒漠氣候。汛期洪水是和田河下游兩岸天然植被水分的直接補給源,多年平均徑流量約43×108m3,其徑流量主要集中在6-9月份的汛期,徑流補給量占總徑流量80%以上,其余時間河道干枯。

2.2 溢流水平

由堆疊的土工袋制成的GSET溢洪道是一種特定類型的階梯式溢洪道,見圖1。隨著溢流量的增加,階梯式坡面水流流態(tài)可分為跌落水流、分離水流和自由跌落水流3個溢流水平。跌落水流的特征是在每個土工袋臺階上形成一個推覆體和一個氣囊;分離水流的特征是在每個臺階處形成渦流。

圖1 由加長尾部土工袋制成的基本溢洪道

2.3 水力破壞試驗

通過對高3.5m、寬2.3m的全尺寸GSET溢洪道進行水力破壞試驗,分析各工況下GSET溢洪道的抗溢流穩(wěn)定性。下游斜率(H∶V)設(shè)置為1∶1.2,溢流水平逐級增加。試驗中,觀察不同溢流水平對臺階邊坡的不同破壞模式及侵蝕速率。見圖2。

3 結(jié)果與分析

3.1 允許溢流分析

通過觀察3個溢流水平對臺階邊坡的不同破壞模式發(fā)現(xiàn),在2級溢流水平(分離水流,溢流深度0.24～0.32m)時,發(fā)生輕微的破壞,包括從土工袋界面之間的空隙中吸出少量的回填材料、穿孔和土工袋的表面屬性;土壩模型加固邊坡的侵蝕發(fā)展速率較慢。在3級溢流水平(自由落體水流,溢流深度0.32～0.58 m)時,由于自由落體水流能量較高,水流貫入土工袋發(fā)生嚴重破壞;土壩加固邊坡的侵蝕發(fā)展速率顯著。

圖3為根據(jù)水力破壞試驗結(jié)果確定的GSET溢洪道在溢流流量下的水力性能曲線。由于2級溢流水平下的侵蝕發(fā)展速度非常低,因此在2級溢流時的允許持續(xù)時間非常長,表明GSET溢洪道的穩(wěn)定性可以保持在2級的臨時洪水中。當溢流水平變?yōu)?級形成自由落體水流時,允許的持續(xù)時間變短。在溢流深度為0.32～0.50m范圍內(nèi)時,由于允許持續(xù)時間很短,小于180 min,GSET溢洪道的穩(wěn)定性變得至關(guān)重要。

圖3 GSET溢洪道水力性能曲線

3.2 性能設(shè)計分析

本節(jié)討論GSET溢洪道在洪水穩(wěn)定性方面的性能設(shè)計。通過進行引起故障的液壓溢流全尺寸試驗,評估GSET溢洪道抗溢頂?shù)男阅?。在此基礎(chǔ)上,提出GSET溢洪道的性能設(shè)計。某土壩在現(xiàn)有溢洪道排澇能力不足的情況下,圖4(a)給出了通過增設(shè)GSET溢洪道來對土壩進行補救工作的示意圖。圖4(b)為現(xiàn)有溢洪道和GSET溢洪道的橫截面圖,其中B為各自溢洪道的寬度,Δh為現(xiàn)有溢洪道與GSET溢洪道底部高程差,DWL為設(shè)計洪水水位。

圖4 通過GSET溢洪道增加排水能力的補救工作示意圖

通過對和田河流域2004年洪水事件導(dǎo)致溢流使小型土壩發(fā)生完全潰決的實例,進行GSET溢洪道洪水分析,確定GSET溢洪道寬度BGSET和Δh的取值。該小型土壩的特性值見表1。

表1 小型土壩的特性值

圖5為氣象廳記錄的和田河流域降雨歷史和洪水分析計算的溢流深度。由圖5可以看出,在沒有GSET溢洪道的情況下,估計的溢流深度在很大程度上超過設(shè)計洪水水位,現(xiàn)有溢洪道的排水能力不足以應(yīng)對這次洪水事件。但超過規(guī)定的設(shè)計洪水水位的溢出持續(xù)時間很短,在幾個小時內(nèi)。

圖5 降雨歷史和洪水分析計算的溢流深度

采用相同降雨事件進行洪水分析計算,得到的現(xiàn)有溢洪道與GSET溢洪道的水位不同高程差時,溢流水深與GSET溢洪道寬度的關(guān)系見圖6。本次洪水分析采用水工試驗,得到的GSET溢洪道流量系數(shù)為1.5。當本次洪水穩(wěn)定設(shè)計允許的溢流深度和持續(xù)時間分別為0.32～0.50m和180min時,圖6中的陰影區(qū)可以滿足以下條件:對于設(shè)計洪水水位,溢流深度小于0.70m,GSET溢洪道溢流深度小于0.50m,溢流深度范圍0.32～0.50m時的持續(xù)時間在180min內(nèi)。

圖6 GSET溢洪道寬度與溢流深度的關(guān)系

在陰影區(qū)域內(nèi),當A點處Δh=0.20m時,GSET溢洪道的最小寬度為4.0m。確認滿足溢流深度從0.32～0.50m的持續(xù)時間是否在180min內(nèi)的條件下,GSET溢洪道寬度為4.0m,Δh=0.20m,GSET溢洪道溢流口處的溢流深度時程曲線見圖7。由圖7可以看出,該持續(xù)時間等于122min,低于180min,滿足條件溢流深度從0.32～0.50m的持續(xù)時間在180min內(nèi)的條件。當GSET溢洪道寬度為12.5m時,僅允許2級溢流水平的設(shè)計結(jié)果偏于安全。

圖7 GSET溢洪道溢流口處的溢流深度時程曲線

4 結(jié) 論

本文在分析溢流深度和持續(xù)時間允許組合的基礎(chǔ)上,提出了GSET溢洪道的洪水設(shè)計示例。結(jié)論如下:

1)在2級溢流水平,溢流深度小于0.32 m的跌落水流狀態(tài)下,GSET溢洪道對溢流的阻力足夠大,僅造成較小的損壞。

2)在3級溢流水平,溢流深度為0.32～0.58m的自由跌落水流狀態(tài)下,因為鋼筋壩坡的侵蝕發(fā)展速度相對較高,GSET溢洪道只能暫時表現(xiàn)出較高的阻力,持續(xù)約3h。

3)根據(jù)允許的溢流深度小于0.32m進行設(shè)計時,實用的GSET溢洪道的寬度約為12.5m。如果在設(shè)計中考慮對溢流深度為0.32～0.50m的暫時阻力,則可采用較小的溢洪道寬度。

4)分析結(jié)果表明,通過GSET溢洪道對現(xiàn)有土壩的補救工作是有效的。尤其是對于小型土壩,可以設(shè)計成針對相對較小的盆地面積造成的短峰洪水。