肖先優(yōu)

(福建創(chuàng)世建設(shè)有限公司，福建 大田 366100)

1 工程概況

青山水庫(kù)是一座以防洪和供水為主的綜合性水利工程，主要由大壩、溢洪道、輸水洞和碼頭構(gòu)成[1]。水庫(kù)大壩為黏土心墻砂礫石壩，總長(zhǎng)735.63 m，壩頂高程96.92 m，最大壩高42.79 m。在水庫(kù)工程建設(shè)過(guò)程中，綜合考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的布置需求和工程成本，采用明渠導(dǎo)流。導(dǎo)流建筑物主要由導(dǎo)流明渠、上下游圍堰以及右側(cè)導(dǎo)墻等部分構(gòu)成。其中導(dǎo)流明渠為直接開(kāi)挖，渠底寬52 m，高程84.0 m，與上游圍堰的夾角為61°；上游圍堰堰頂高程為109.0 m，軸線長(zhǎng)247 m；下游圍堰堰頂高程236.0 m，軸線長(zhǎng)257 m。右側(cè)導(dǎo)墻為混凝土縱向?qū)υO(shè)計(jì)，由上游段、右導(dǎo)墻壩段以及下游延伸段三部分組成。研究以水庫(kù)導(dǎo)流明渠為例，利用模型試驗(yàn)的方式對(duì)進(jìn)口設(shè)置型式進(jìn)行優(yōu)化。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型制作

根據(jù)此次模型試驗(yàn)的目的和基本要求，模擬范圍涵蓋了大壩壩軸線以上550 m和以下650 m的河段，并按照1∶10的比例進(jìn)行模型的布置，模型的全長(zhǎng)為11 m，寬2 m，模型的輔助部分主要由供水系統(tǒng)、沉沙池、退水系統(tǒng)組成[2]。

模型的邊墻利用磚混結(jié)構(gòu)制作，為了模擬天然工況的糙率，模型中導(dǎo)流明渠、庫(kù)區(qū)以及上游河道的河床部分均按照地質(zhì)調(diào)查的數(shù)據(jù)資料制作成定床，并利用水泥砂漿抹面[3]。下游河道主要模擬主河道，河床部分為動(dòng)床設(shè)計(jì)，需要鋪填模型砂。根據(jù)施工單位提供的資料，導(dǎo)流明渠基巖的抗沖刷流速為5.4 m/s，下游覆蓋層的抗沖刷流速為2.0 m/s，按照茲巴斯公式計(jì)算模型砂的參數(shù)，相應(yīng)模型砂的粒徑為1.6～3.2 mm[4]。按照上述要求篩選散沙粒作為研究使用的模型砂。

2.2 試驗(yàn)儀器

南京水利科學(xué)研究院生產(chǎn)的旋槳式光電流速儀，主要用于試驗(yàn)中的流速測(cè)試；各種工況下的水深和沖淤地形參數(shù)利用鋼板尺進(jìn)行測(cè)量[5]；各種工況下導(dǎo)流明渠內(nèi)的水面線測(cè)量利用水準(zhǔn)儀；將矩形量水堰安裝在模型的進(jìn)水口，以控制上游的來(lái)流量[6]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)研究中根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)控制壩下0+650斷面水位的方式，對(duì)壩上0+340斷面的水流流量關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)換算，獲得如表1所示的水位流量關(guān)系。由表可知，上下游圍堰的高程可以滿足導(dǎo)流明渠施工期的最大洪水導(dǎo)流需求，但是右側(cè)導(dǎo)墻局部高度不足，需要加高至107 m，方可滿足導(dǎo)流需求。

表1 不同流量條件下的庫(kù)水位

從試驗(yàn)過(guò)程中的水流流態(tài)來(lái)看，上游的圍堰前以及下游圍堰后均形成比較明顯的回流區(qū)，并且上游回流區(qū)的面積和強(qiáng)度會(huì)隨著泄流量的增大而增大，下游回流區(qū)的范圍和強(qiáng)度受泄流量變化的影響相對(duì)較小，特別是回流區(qū)的范圍相對(duì)比較固定。從水面線的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，圍堰上游河道的水面比較平穩(wěn)，比降較小，進(jìn)入明渠之后產(chǎn)生明顯的跌落現(xiàn)象，且跌落值隨著下瀉流量的增加而增大，同時(shí)水面的波動(dòng)性也顯著增強(qiáng)。在大泄流量條件下，上下游圍堰和明渠內(nèi)的流速值較大，最大流速為6.8 m/s，且大多數(shù)斷面的流速值均超過(guò)抗沖流速，會(huì)引起河床的嚴(yán)重沖刷，進(jìn)而威脅建筑物穩(wěn)定。特別是在3000 m3/s的流量條件下，在右導(dǎo)墻的墩頭部位會(huì)產(chǎn)生較大的沖刷坑，有必要對(duì)圍堰或?qū)M(jìn)行體型優(yōu)化。

3.2 體型修改方案

導(dǎo)流明渠的原設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，導(dǎo)流明渠的進(jìn)口部位存在比較明顯的流態(tài)紊亂現(xiàn)象，且導(dǎo)墻墩頭部位存在比較明顯的繞流現(xiàn)象，致使墩頭前產(chǎn)生了較大的沖坑，同時(shí)明渠內(nèi)存在面積和強(qiáng)度較大的回流，影響到過(guò)流能力。針對(duì)上述問(wèn)題，采取如下的優(yōu)化思路：一是改善導(dǎo)流明渠的進(jìn)口水流流態(tài)，盡量減輕導(dǎo)墻墩頭部位的繞流[7]；二是盡量使易沖刷的部位遠(yuǎn)離水工建筑物，減小沖坑的深度?；谏鲜鏊悸?，提出如下修改方案：

修改方案1：將導(dǎo)流明渠上游圍堰由曲線型改為直線型，使上游坡腳和導(dǎo)墻的坡腳對(duì)齊，圍堰斷面幾何尺寸保持不變。

修改方案2：將導(dǎo)流明渠上游圍堰由曲線型改為直線型，然后對(duì)導(dǎo)流明渠的圍巖和導(dǎo)墻的連接部位加強(qiáng)防護(hù)，其具體措施為用拋石體和混凝土加固墩頭部位的圍堰坡面和基礎(chǔ)。

修改方案3：上游圍堰仍采用曲線形式，右側(cè)導(dǎo)墻的墩頭改為臺(tái)階形式設(shè)計(jì)。

修改方案4：將導(dǎo)流明渠上游圍堰由曲線型改為直線型，右側(cè)導(dǎo)墻向上游延伸部位的長(zhǎng)度減小10 m，并將其迎水面坡度改為1∶1.5，然后對(duì)上游圍堰坡面進(jìn)行拋石體防護(hù)。

修改方案5：在修改方案4的基礎(chǔ)上，對(duì)圍堰堰面容易沖刷的部位采用鋼筋籠防護(hù)，在坡腳的河床面采用粒徑1.0 m的沖刷料防護(hù)，防護(hù)寬度為10 m，防護(hù)范圍在墩頭附近部位。

3.3 修改方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

鑒于沖刷破壞是原設(shè)計(jì)方案存在的主要問(wèn)題，研究中在3000 m3/s的流量下對(duì)上述5種修改方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，獲得各個(gè)方案的沖刷和淤積試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，各方案的沖刷坑主要位于墩頭和導(dǎo)墻右側(cè)部位。顯然，導(dǎo)墻墩頭和導(dǎo)墻右側(cè)的沖刷坑對(duì)導(dǎo)墻和墩頭的穩(wěn)定性不利。因此修改方案2和修改方案5比較合適。同時(shí)，修改方案1、修改方案4和修改方案5的沖刷坑深度大致相同，但是修改方案1的圍堰容易遭受破壞，而修改方案4的防護(hù)施工困難較大。綜合上述分析，修改方案5為最佳方案。

表2 修改方案試驗(yàn)結(jié)果

4 推薦方案的試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證推薦方案的合理性，對(duì)500 m3/s、1000 m3/s、2000 m3/s和3000 m3/s4種不同下瀉流量下的流態(tài)、水面線、流速等水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同下瀉流量下推薦方案水流流態(tài)與原設(shè)計(jì)方案相似，但是導(dǎo)墻墩頭部位的繞流范圍和強(qiáng)度明顯減小，水流流態(tài)較原設(shè)計(jì)方案明顯平穩(wěn)。在上游圍堰的堰前和下游圍堰的堰后均存在回流區(qū)，但是回流區(qū)的范圍和強(qiáng)度也較原方案有所減小。由此可見(jiàn)，推薦方案對(duì)導(dǎo)流明渠的流態(tài)改善具有一定的作用。

對(duì)不同下瀉流量的水面線進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，導(dǎo)流明渠內(nèi)的水面變化總體比較平穩(wěn)，明渠內(nèi)不存在明顯的水面跌落現(xiàn)象，兩岸水位也比較接近。從導(dǎo)流明渠內(nèi)靠近右側(cè)導(dǎo)墻部位的水位變化來(lái)看，在最大下瀉流量條件下的水位較原設(shè)計(jì)方案降低1.3 m左右，因此并不需要加高該部位導(dǎo)墻頂?shù)母叱獭?/p>

試驗(yàn)中對(duì)導(dǎo)流明渠內(nèi)的流速進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析，其兩岸的流速分布試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表中的結(jié)果可以看出，導(dǎo)流明渠左岸的流速均低于3.5 m/s，右側(cè)的流速值相對(duì)較大，但均低于4.2 m/s，僅在出口的部位流速相對(duì)較大，其左岸最大值為4.1 m/s，右側(cè)最大值為5.1 m/s。由此可見(jiàn)，相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案，靠近導(dǎo)墻部位的流速值得到了明顯的控制，已經(jīng)處于基巖抗沖刷的范圍之內(nèi)。

表3 導(dǎo)流明渠兩側(cè)流速試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

此次研究利用室內(nèi)試驗(yàn)的方式，對(duì)青山水庫(kù)導(dǎo)流明渠的體型優(yōu)化問(wèn)題展開(kāi)研究。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)中暴露的問(wèn)題，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，提出了5種不同的修改方案，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比選，最終確定修改方案5為推薦方案，并在不同流量條件下對(duì)推薦方案進(jìn)行驗(yàn)證。在導(dǎo)流明渠施工完畢次年，經(jīng)歷了2010 m3/s下瀉流量檢驗(yàn)，各種水力學(xué)參數(shù)與模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，工程的運(yùn)行情況良好。