高落差明渠截流方案优选实例试验研究

汪 旭，张建民，何小泷，石旭芳，余 飞，2

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065;2.青海省水利水电勘测设计研究院，西宁 810000)

明渠截流可根据流量、落差等截流水力学指标的大小来选择单戗堤［1］或双戗堤［2］截流，其戗堤轴线一般选择在明渠进口或出口的较窄部位。笔者参照国内外已成功的工程截流经验，根据本工程所在地的具体水文气象条件、地质地形条件、现场渣料情况及特殊形状材料［3］等因素，并结合本截流工程的大水深［4］、高流速、大落差［5－6］、高单宽功率的特点，按照兼顾截流难度和经济性的原则对原设计截流方案进行了物理模型试验验证，对比研究了不同位置处戗堤轴线对龙口的水流流态及截流水力学参数的影响。推荐本工程采用单戗堤立堵式［7］截流的方案，可供工程设计和施工参考。

1 工程概况

某工程导流明渠进口底板宽度为63.8 m、高程为982.00 m，其出口底板高程986.00 m，上游戗堤顶部高程1 012.00 m，顶部宽度 20 m，最大堰高30 m，采用河床4孔泄洪闸分流，其泄洪闸底部高程为994.00 m。

三期明渠截流龙口上下游水位落差大，合龙过程中龙口水位落差高达10 m，与同类明渠截流工程相比较高;现场料场所备天然材料的最大粒径为0.5 m，其抗冲流速上限为4.95 m/s，合龙过程中流速达8 m/s，且截流进入困难期其龙口单宽功率较大。以上几点导致明渠截流困难，因此有必要对戗堤布置方式进行优化，增加工程的经济性，并达到顺利截流的目的。

2 模型设计

本试验模型比尺为65，按照重力相似准则设计，并考虑阻力相似条件。模型范围以满足流动相似为原则，模拟范围从坝轴线以上700 m至坝轴线以下1 000 m。为便于观察戗堤预进占和龙口合龙时的流态、流场，以及对上下游水位等的影响，将0－500 m至0+600 m的河床做成动河床，其余部分是定河床。模型平面布置图如图1所示。

图1 某水电站模型平面布置图Fig.1 Plan view of the layout of a hydropower station model

试验中，流量采用矩形薄壁堰进行量测，流速采用旋浆流速仪(精度达1 cm/s)进行测量，沿程水面线采用水准仪(精度达0.2 mm)进行测量。截流中采用4种截流材料，即模型中截流材料A为原型河床截流预进占时采用的填筑料，换算为原型的0.1～6.5 cm的小块石;截流材料B为模型中戗堤预进占选用的填筑料，即原型的6～50 cm的中小块石;截流材料C为原型河床合龙时采用的6～125 cm的大块石;截流材料D近似原型中的2～3 m的人工四面体。所选用的截流材料抗冲流速按照伊兹巴斯公式(换算成泥沙起动公式)进行计算，即v=kd0.5(v为靠戗堤一侧流速，k为稳定系数，一般取值为4～5.5，d为截流材料粒径)。由公式计算得到:A料抗冲流速1.4 m/s左右，B料抗冲流速4.95 m/s左右，C料抗冲流速6.15 m/s左右，D 料抗冲流速9.53 m/s左右。

3 试验结果与分析

3.1 戗堤布置形式

3.2 截流流量选择

根据某电站枯期来流条件，试验拟定4种截流流量，具体见表1。对原设计方案，在上述4级流量下用C料进行截流试验。实测结果表明:截流后龙口上下游最大落差随流量的递减分别为12.22，10.77，10.65，10.63 m，截流时龙口水位落差均超过10 m。其主要原因是当河床4孔泄洪闸(底板高程994.00 m)开始分流时，戗堤上下游的水位落差已经达到6.5 m左右，其在同类型明渠截流工程中较高，截流难度很大。当龙口宽度25 m时，随截流流量的递减，其龙口最大流速分别为9.75，9.43，8.93，8.77 m/s，龙口最大单宽功率分别为 380，285，234，189 t·m/s·m－1。试验中发现，当截流流量大于1 016 m3/s后，截流水力学指标尤其是单宽功率太高，按正常施工抛投强度已无法推进并合龙，抛投料的流失率已达90%以上。而当流量减小至650 m3/s时，截流水力学指标依然很高，采用C料在超高抛投强度下能够勉强进行合龙，但流失率仍然很高。综上所述，本工程截流水头高，单宽功率大，且截流材料流失率高，为满足截流安全性，我们只选择对截流流量650 m3/s的各方案进行分析研究。

图2 戗堤布置示意图Fig.2 Sketch of dike layout

表1 截流试验工况Table 1 Closure test schemes

3.3 方案对比

在650 m3/s流量下对3个方案进行了试验，工况见表1。其试验结果见表2、表3及图3。

表2 各方案抛投方式及相应的流失率Table 2 Dumping patterns and corresponding loss rates in different schemes

表3 龙口宽25 m时龙口各项水力学指标Table 3 Hydraulics parameters of the closure gap(width of 25m)

图3 戗堤龙口单宽功率曲线(Q=650 m3/s)Fig.3 Curves of unit stream power at the closure gap(Q=650 m3/s)

3.3.1 原设计方案

原设计方案布置如图2(a)，该方案依据现场地形，将戗堤布置于明渠进口内，使戗堤轴线与水流流线垂直，龙口处流速均匀化。预进占戗堤推进前20 m时，龙口处流速均匀，但由于明渠底板光滑，进占时流失率较大。戗堤上挑角受到水流冲击，流失率较下挑角大，流失料部分堆积在坝轴线处。当戗堤距导墙65 m左右时，上挑角采用B料流失率增大，因此开始采用C料在上挑角投掷，B料在下挑角投掷的方式进占。此时C料能够保证戗堤上挑角流失率较小，流失料堆积部位提前至坝轴线前。

当进入龙口宽度40 m左右时，戗堤受水流冲刷严重，B和C抛投料流失率剧增，采用D料进行抛投。当龙口宽度为25 m时，截流进入困难期，其单宽功率和流速分别为188.89 t·m/s·m－1，7.80 m/s，截流试验抛投强度可以大致满足现场所能达到条件，但其流失率增大，D料也有所流失，流失料堆积在戗堤坝轴线前，形成浅滩，部分浅滩已露出水面。龙口封堵后，总截流流失率为20.35%，能满足截流流失率要求。

3.3.2 比选方案

比选方案布置如图2(b)，针对原设计方案流速大、流失率及单宽功率高的问题，将戗堤布置在明渠入口处河床上，戗堤轴线与明渠入口处底板平行。试验中发现，由于戗堤轴线与明渠并不正交，导致流速分布不均匀，靠戗堤一侧流速略小。在预进占时初期水流流速较小，因此在预进占时采用B料进行推进。当戗堤距明渠导墙80 m时，此时龙口水流对戗堤上挑角的冲刷严重，故采用B料、C料共同推进。而在进入龙口宽度30 m后，溢流坝才开始分流，此时龙口水流对戗堤冲刷导致堤头坍塌严重，大量抛投料流失，需采用C料，D料进行合龙。在龙口宽度为25m处，截流进入最困难时期，其单宽功率和流速分别为181.49 t·m/s·m－1，8.20 m/s，较原设计方案有所减小。此时模型试验的抛投强度可以大致满足现场所能达到条件。截流完成后，其流失率为17.81%，较原设计方案小，能满足截流经济性要求。

3.3.3 推荐方案

推荐方案基于比选方案提出，其戗堤布置图如图3(c)。试验中发现，在戗堤推进到距明渠导墙80 m前，其水流条件及抛投材料流失情况与比选方案基本相同。但在戗堤推进到距明渠导墙65 m时，此时靠戗堤侧水流流速仍然较小，仍可用B料继续进占，而当进入戗堤转角时，此时外挑角流速较大，B料有所流失，流失料堆积在明渠进口处底板上形成浅滩。

阅读的深度、宽度和兴趣不够。笔者对近600名大二学员做了问卷调查，结果显示很少有学员已经完整地阅读过10本军事名著；近半数学员只能写出7-8本世界军事名著的名字；很多学员即使读过《孙子兵法》《战争论》等，也是不求甚解，流于表面；只有少数学员在课余时间会阅读军事名著；而认为世界名著不好读从而对其兴味索然的学员大有人在。

此时采用B料、C料共同进占，C料抛投在上挑角挑开速度较大水流，为下挑角B料推进创造有利条件。当完全形成龙口后，水流靠导墙侧流速较大，当龙口宽度为30 m时，B料、C料无法正常进占，采用D料进行推进。此时大部分B，C料在戗堤与纵向围堰之间形成浅滩，同时，水流对戗堤下游坡开始冲刷，戗堤转弯处有崩塌情况发生，需采用D料对下游坡脚进行加固，使截流顺利进行。

当龙口宽度为25 m时，进入截流困难期，其单宽功率和流速分别为 162.50 t·m/s·m－1，8.70 m/s，其水力学指标皆优于其它两方案。此时龙口上下游落差达到5.83 m，单宽功率达最大，试验抛投强度满足现场所能达到的抛投强度，截流成功后，其截流材料流失率14.81%比其它两方案小，能满足截流经济性要求。试验中发现水流对二期围堰剩余段进行了冲刷掏蚀，导致二期围堰剩余段部分崩塌，故合龙前需对二期围堰剩余段所形成的裹头进行加固处理。

3.4 方案分析与比较

3.4.1 水力学指标

研究成果表明:①不同戗堤轴线下，龙口上下游水位差与龙口宽度呈反比例线性关系，龙口减小，上下游水位差增大。②3方案中，龙口进占端的最大流速均在龙口宽15 m左右出现，且推荐方案的龙口流速指标优于原设计方案和比选方案。③龙口宽度30 m时，3方案中龙口断面皆为三角形，且溢流坝开始过流，单宽功率很大，截流进入最困难区段。④龙口宽度25 m时，3方案中单宽功率皆达最大，其中推荐方案的单宽功率最小且其龙口最大流速最小，龙口水力学指标最优。

3.4.2 流失率

流失率是判断截流过程是否经济合理的一个重要指标。表2为龙口宽度与流失率的关系。由表2和图3知:①在龙口宽度从40 m向0 m推进的过程中均用了人工立方体D料，3方案比较而言:推荐方案在40～25 m的进占过程中D料用量更少，更加经济。②流失率最大的龙口区段为30～15 m，此区段龙口单宽功率大，合龙时流失率与龙口单宽功率有直接关系。

3.4.3 方案比较及分析

由表2、表3及图3知，龙口宽25 m时其龙口单宽平均功率、及流速分别为188.89 t·m/s·m－1，7.80 m/s(原设计案)，181.49 t·m/s·m－1，8.20 m/s(比选方案)，162.50 t·m/s·m－1，8.70 m/s(推荐方案);同时原设计方案、比选方案、推荐方案的总流失率分别为20.35%，17.81%，14.81%。因此，比选方案和推荐方案的水力学指标及流失率皆优于原设计方案，其中推荐方案的水力学指标最优。在此主要对比选方案和推荐方案进行了对比。推荐方案主要对比选方案龙口水流流态进行优化，实验中发现，前期龙口水流靠戗堤侧流速小于靠导墙侧流速。而在截流后期，尤其是进入截流困难期后，龙口水流在导墙与二期围堰相互作用下，戗堤裹头处形成绕流，通过增加流程，减小水流坡降;此外，流程形势由直到弯，水流紊动增强，流动阻力增加，动能耗散增加［8］，从而降低了龙口流速。同时由于水流在龙口处会产生反“S”形转弯，使龙口水流流速分布不均匀，靠导墙侧流速较大，减小水流对戗堤的冲刷。而在进占中，会有充足时间对戗堤下游侧加固，减小水流对戗堤的冲刷。同时本戗堤方案充分利用导墙抗冲性能，使水流冲击导墙，降低水流流速，减少了人工截流材料D料的使用量。而流失的截流料堆积在明渠入口处，对戗堤下游坡脚起到一定保护作用。同时推荐方案中戗堤占用较大部分河道，影响到分流建筑物过流能力，龙口下游扩散区水流波动较大，对戗堤坡脚掏蚀严重，因此需对戗堤轴线下游做好坡脚护坡工程。

4 结语

根据原设计方案，在4种截流流量下进行了截流试验，确定了截流流量为650 m3/s。并综合对比预进占的试验结果，拟定了在650 m3/s流量下的3种单戗堤截流方案。综合对比各方案水力特性参数，可知:推荐方案与原设计方案和比选方案相比，其各项水力学指标最优、流失率最小且人工立方体用料最少，可作为截流推荐方案。此方案通过改变戗堤轴线及其位置来影响龙口水流流态，增长了水流流程，降低了水力坡降，使水流直冲明渠导墙，在龙口处会产生反“S”形转弯，使流程形式由直到弯，

水流紊动增强，流动阻力增加，动能耗散增加［8］，并使龙口流速分布不均匀、龙口进占端流速较小、水力学指标较优，达到了降低截流难度的目的。对类似高落差明渠截流工程具有一定的参考价值和指导意义。

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