碾盘山水利枢纽工程一期截流水文勘测技术创新

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

1 工程概况

1.1 概述

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程是国务院批复的《长江流域综合规划》推荐的汉江梯级开发方案中的重要组成部分，是172项节水供水重大水利工程之一。工程位于湖北省荆门市的钟祥市境内，地处汉江中下游干流，上距规划中的雅口航运枢纽58km、丹江口水利枢纽坝址261km，下距兴隆水利枢纽117km，是汉江中下游梯级规划中的第5级。碾盘山水利水电枢纽工程为Ⅱ等工程，规模为大(2)型，主要永久性水工建筑物为2级建筑物，导流明渠、一二期围堰为枢纽工程的临时建筑物，级别为4级。水库总库容9.02亿m3，调节库容0.83亿m3。电站装机18万kW。通航建筑物级别为Ⅲ级。工程属于平原河槽型水库，库区两岸以堤防为主，局部为岗地。枢纽为河床式电站，采用围堰一次性拦断河床、左岸河滩地开挖明渠导流方式分期施工。工程分两期施工。一期开挖左岸导流明渠导流，厂房、泄水闸、船闸等建筑物在一期围堰的保护下进行施工。二期进行左岸土石坝施工，封堵导流明渠，由右岸已建泄水闸导流。

一期截流采用上游左右岸双向进占单戗立堵的截流方式，戗堤预进占阶段主要从左岸进占、右岸辅助，合龙阶段以右岸为主、左岸辅助，分流建筑物为导流明渠。截流设计流量采用3月份P=20%的月平均流量Q20%=1110m3/s,预留龙口宽度为260m。

1.2 截流模型水力学指标

碾盘山水利水电枢纽工程一期河床截流为淤积型覆盖层河床截流，不仅存在覆盖层冲刷带来的截流风险，且存在施工期通航问题。为确保安全经济截流，有效解决相关关键技术问题，采用1∶90截流整体模型进行了试验研究。

考虑到上游丹江口水库的调蓄作用，截流时流量不一定达到1100m3/s。为实现安全、经济的截流目标，试验紧密结合现场实际，在原地形、实测地形两种地形边界以及设计及实测两种水位流量关系边界条件下，对截流设计流量Q=1110m3/s、Q=650m3/s、Q=845m3/s、Q=1310m3/s四级流量下截流进占过程水力特性进行了测试及分析[1-2]。截流设计流量对应龙口水力指标见表1，各工况戗堤龙口段特征水力参数对比见表2。

表1 龙口段进占截流水力特性汇总(Q=1110m3/s)

表2 各工况戗堤龙口特征水力参数对比

在实测地形及实测水位流量关系边界条件下，在截流设计流量Q=1110m3/s时，戗堤合龙后截流总落差为1.59m，戗堤落差为1.23m，戗堤上游平均水位为41.07m；堤头及龙中线最大流速发生在龙口宽30～15m阶段，堤头最大流速为3.92m/s，龙中最大流速为4.00m/s；整个截流进占可用中石完成截流，无流失。

在实测地形条件下，各级流量下的截流总落差及戗堤落差规律不明显。主要因为明渠底板高程为39.00m，介于几级流量的下游控制水位之间，为敏感水位段，下游水位变化对明渠的分流能力影响较大。在实测地形条件下，各级流量下的左右堤头及龙口流速，有随流量增大而增大的趋势。在Q=845～1310m3/s时，左右堤头最大流速在3.45～4.08m/s间，龙口最大流速在3.28～4.00m/s间。

2 水文勘测技术突破与创新

通过对截流进占过程分流建筑物分流能力、截流龙口附近水文特性指标等进行水文勘测，进一步验证截流模型试验研究报告的可行性和合理性，指导截流施工进度，为截流施工起到参谋作用，保障截流工程顺利完成[3]。水文监测站点分布见图1。

图1 水文监测站点分布

2.1 水位

在已建3个水位站(坝上、坝下、取水口)基础上，新设4个比降观测水尺断面。龙口左右岸戗堤堤头上、中、下各布设一个水位观测点。选择岸坡较为稳定的地段安设水位自动记录仪器，每5min采集一个数据，设立搪瓷直立式水尺，便于随时校测。在龙口附近随着龙口宽度的缩窄，采用全站仪无棱镜直接观测法，全站仪接测时用正倒镜观测，距离不宜超过600m。水尺读数读记至1cm，人工水位观测频次一般为30min，并根据截流施工进度随时调整，各水位观测同步。共布设13个水位监测站点，设立搪瓷直立式水尺10组，安装水位自动记录设备5套，全站仪水位观测点3个。

2.2 流速

龙口流速是进占过程选择抛投料、抛投方式、戗堤防冲的重要水力学依据，也是判断护底是否被冲的重要途径[4]。共布设13条测速垂线，每条垂线应提取0、0.6、0.8倍水深测点的流速、流向。

测点流速测验采用船载ADCP、三体船搭载ADCP定点测量，电波流速仪测量等方法。龙口段进占初期采用船载ADCP定点、走航施测，当龙口流速较大、落差较大时，采用牵引三体船、航标船的方式，从上游逐步向下游施测。

走航式ADCP定点施测垂线流速时，经过测试测区内基本无走沙，均采用橡皮艇、玻璃钢快艇施测，因测区内走沙较为严重外接GPS RTK定位，采用铁船时外接GPS罗经。垂线流速测验历时一般不少于2min，流速较大测船无法稳定时可采用走航法，根据坐标进行数据提取。电波流速仪法主要施测龙口附近各垂线水面流速，每个测点施测100s，仪器架设位置为龙口上游洲滩、水文测船及左岸戗堤堤头。

2.3 流量

在分流明渠分流情况下，在明渠与河道的上游分流点以上合适河段布设一个流量测验断面，根据现场水流特性在分流明渠或者龙口附近布设一个流量测验断面，以分析计算分流比情况。龙口流量测验断面布设位置根据现场水流情况调整，宜布设在龙口、龙口上、下围堰位置。

截流开始阶段，在分流明渠未分流情况下，应在龙口附近布设一个流量测验断面施测整体过水流量，断面布设情况见图2。

图2 流量测验断面布设

流量测验采用橡皮快艇搭载走航式ADCP施测，测前对声学多普勒流速仪进行自检，并记录自检结果。ADCP外接GPS设备，外部GPS罗经可根据实际情况选择。施测时测船宜匀速在断面上航行，船速尽量小于断面平均流速。水文测验应在水位较为平稳时进行。

2.4 分流比

分流比是判断戗堤进占效果的最主要指标。本次分别在汉江干流、龙口和明渠用ADCP配合GPS进行测流。导流明渠分流之前戗堤轴线过流流量主要由龙口过流量、戗堤渗流组成；开始分流后由导流明渠流量、龙口过流量、戗堤渗流组成；龙口合拢后由导流明渠流量、戗堤渗流组成。主要监测断面为导流明渠分流点上游汉江干流断面、导流明渠断面，根据测验成果计算分流比。

2.5 龙口宽度确定

根据龙口施工进占进度，在水文测验时，同时用全站仪观测龙口宽度，用手机或对讲机发送数据。

3 截流水文要素监测成果分析

3.1 水文要素监测特点及实测特征值

由于碾盘山水利水电工程区域内洲滩较多，水流特征复杂，龙口上游100m处有一较大沙洲，把汉江干流来水一分为二，水流方向与戗堤轴线夹角加大，在龙口上下游附近形成漩涡，对开展水文测验带来较大困难。截流进占至龙口阶段后水流湍急，水流落差大、流速大。

在2019年3月10日截流水文勘测开始至19日龙口合拢期间，汉江干流来水量最大达到730m3/s，导流明渠19日前最大分流量占汉江总来水量不到20%，19日14时剧增至43%，合拢后随着围堰的进一步加固、防渗处理，导流明渠分流量逐渐加大。根据实测资料显示龙口最大流速4.20m/s，最大截流落差为1.24m，截流落差较大、流速较高。

3.2 水位、落差变化分析

龙口进占阶段汉江来水总体较为平稳，各水位监测站点收集了比较齐全的水文测验成果，18日12时(龙口水面宽度70m)前上下游落差无明显变化，随着龙口宽度的缩窄，上下游落差逐渐加大。

3.2.1 截流总落差分析

3月18日12时(龙口水面宽度70m)前总落差较为稳定，落差为0.35m；19日17时龙口完成合拢后，导流明渠分水量为50%，其余50%为渗漏水量和围堰上游河段槽蓄量。围堰上游河段槽蓄量逐渐加大，水位逐步抬高，19日19时落差达到峰值1.66m。20日11时导流明渠分流流量达到393m3/s，21日14时上下游落差逐渐减小至1.33m(见图3)。

图3 上下游1.5km水位过程线及落差分析

3.2.2 龙口水位落差分析

龙口水面宽度大于90m时左右岸戗堤上下游水位基本无落差。17日22时开始戗堤上游水位逐步抬高，下游水位逐渐降低，落差持续增加，龙口水面宽度14m时增大至1.25m。戗堤堤头中线水位与戗堤堤下水位过程较为一致，堤头中线附近形成漩涡。龙口上游有一沙洲，汉江主泓靠左，主泓水流方向为右岸戗堤45°，对右岸戗堤冲刷较大。龙口水面宽度大于120m时，龙口附近无横比降；龙口水面宽度在120～40m时，右岸水位略高，横比降在0.10m以内。龙口水面宽度在40m以内时，横比降消失。左右岸戗堤上下落差比较一致，均在0.05m以内。右戗堤水位过程线及落差见图4。

图4 右戗堤水位过程线及落差分析

3.3 龙口流速及口门变化分析

根据现场定点流速测验结果，随着龙口的缩窄流速逐渐加大，龙口水面宽度在203m时最大测点流速为1.50m/s；龙口水面宽度达到80m时最大测点流速为2.10m/s；龙口水面宽度达到60m时最大测点流速为2.40m/s；龙口水面宽度达到40m时最大测点流速为3.10m/s；龙口水面宽度达到30m时最大测点流速为4.10m/s。龙口附近最大流速位置为戗堤轴线距堤头15m左右位置。戗堤轴线上游100m、下游50～200m流速变化梯度不大，比较符合现场的流态。

3月10日，龙口水面宽度203m，由非龙口进占转变为龙口进占，至14日龙口宽度从203m进占至150m，龙口进占速度较快；14日至16日12时因降雨停止进占，至17日6时龙口进占水面宽度为120m，龙口推进速度平均约1.7m/h，之后连续进占至龙口合拢，推进速度平均约1.9m/h。龙口最大测点流速与龙口水面宽过程线变化见图5。

图5 龙口最大测点流速和龙口水面宽过程线变化

3.4 分流比分析

3.4.1 龙口截流阶段

导流明渠分流时间为3月14日10时30分，18时收集到导流明渠第一次实测流量成果，实测流量为25.8m3/s，分流比为4.0%。随后逐渐加大，截至19日14时龙口基本合拢，导流明渠实测流量为233m3/s，分流比为43.2%。根据检查结果得到，导流明渠分流流量未到达预期目的，渗流量较大。20日后随着填筑围堰防渗的完成，导流明渠流量逐渐加大(见图6)。

图6 导流明渠分流流量及分流比分布

3.4.2 龙口合拢后期

龙口合拢后随着戗堤防渗处理及导流明渠进一步疏通，导流明渠流量逐渐加大，26日实测流量648m3/s，基本达到汉江干流来水量，其功能达到预期设计标准(见图7)。

图7 导流明渠流量过程线

3.5 截流期水文要素综合分析

随着龙口宽度的减小，龙口最大流速逐渐增大，到达极限后随龙口的继续推进，流速又逐渐回落；上戗堤的落差随龙口的束窄，上游水位的抬高，下游水位的降低，落差增大；龙口流量随龙口减小而持续减小。

导流明渠的水力学特性变化也与龙口的变化密切相关，随龙口的束窄导流明渠进口水位抬高，出口水位变化不大，落差也相应增加；随着龙口宽度的减小，龙口流量减小，导流明渠流量和分流比相应增加，变化特征和趋势明显。

4 结 语

截流工程是水电站工程建设施工的关键工程，水文勘测信息对截流施工与指挥调度有着重要的指导意义。湖北省碾盘山水利水电枢纽工程截流水文要素监测成果基本反映了截流期各水力要素的变化特征和规律，同时与截流水工模型的试验水力学特性比较，基本吻合。实时的水文监测成果，为截流施工的现场组织和指挥提供了基本依据，有力支持了截流的顺利实现。