大藤峡水利枢纽二期围堰截流研究

潘明鸿，陈 辉，左永振，黄天宝

（1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，537226，桂平；2.长江水利委员会长江科学院，430010，武汉）

一、工程概述及研究方法

大藤峡水利枢纽施工导流采用二期导流方式。 一期导流先围左岸，江水由束窄后的右岸河床过流。 在一期围堰的保护下， 施工河床20 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔、 左岸厂房、左岸挡水坝等建筑物。 二期导流围右岸， 江水由一期建成的20 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔过流。在二期围堰的保护下，施工河床4 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔、右岸厂房、右岸挡水坝等建筑物。 截流方式为从右岸一侧单戗堤进占，立堵截流。

二期深水围堰截流有流量大、龙口段河床深切、截流抛填工程量大的特点。 二期上、下游围堰采用混凝土防渗墙接黏土心墙土石围堰，土石方总填筑量223×104m3， 混凝土防渗墙1.34×104m2，填筑工程量巨大，且须在一个枯水期内完成施工， 施工强度大。 二期土石围堰的安全性主要取决于防渗体系，围堰防渗型式为混凝土防渗墙上接黏土心墙防渗，堰体水下部分主要由开挖石碴料及砂砾料水中抛填形成，并在抛填体中成槽浇筑塑性混凝土防渗墙，水上部分接碾压黏土心墙及石碴料等堰体。

二期深水围堰截流试验研究采用三维数值模拟与整体水工模型试验、 局部水工模型试验相结合的方法，对截流过程进行模拟研究，模拟截流抛填过程中出现的各种不利条件。 分析不同截流方式参数，优化截流戗堤布置，提出降低截流难度的合理截流方式，为截流设计提供依据。

二期深水围堰长期高水位运行研究采用室内堰体与防渗墙特性参数试验、数值模拟对比分析相结合的方法，设计出防渗、稳定的堰体，提出合理的结构型式及围堰监测要求。

二、模型建立

1.物理模型

根据河道特征、河床形态、地形特点， 结合截流抛投料模拟等要求，将模型确定为定床正态模型，比例尺为1∶80、1∶40， 模型按重力相似准则设计。 1∶80 截流整体模型模拟原体坝轴线上游3.0 km 至下游2.8 km 共5.8 km 范围， 尾水控制断面为坝下2+649.00；1∶40 局部模型模拟原体坝轴线上游0.6 km 至下游0.6 km 共1.2 km 范围， 尾水控制断面为坝下0+600.00。

模拟试验抛投材料种类和规格如下：石碴料：粒径0.25～0.75 cm；小石：粒径0.75～1.5 cm；中石：粒径1.25～2.0 cm；大石：粒径1.75～3.0 cm；四面体：单个重20 t 或30 t，r=2.40 t/m3；大块石串：原型粒径1.2 m，3～4 个一串，柔性连接；钢筋石笼：规格2 m×2 m×2 m，原型重量16 t，模型重量245 g。

原型设计抛投强度为10 m3/min，模型试验抛投强度为1 000 cm3/min。

2.数学模型

三维数值模拟研究采用的数学模型为：采用基于结构化矩形网格的FAVOR 方法及真实的三步TruVOF方法，求解三维不可压缩黏性流体运动的Navier-Stokes 方程， 应用GMRES 方法求解离散方程，采用单相流体模拟水流流动。 求解采用有限体积法、二阶迎风格式，压力—速度耦合采用压力校正法，离散方程求解采用广义的极小残差GMRES 法， 时间差分采用全隐格式。

截流三维数值模拟研究计算范围选取在纵向混凝土围堰右侧部分，模型进出口分别选取在坝轴线上游0-600 断面和坝轴线下游0+600 断面。 根据整体模型试验结果，主河道与左侧导流明渠之间的分流线取纵向轴线向右岸方向偏转8°近似。

截流三维数值模拟研究主要计算截流戗堤堤头龙口附近水力参数，因此在截流戗堤堤头和龙口区域380 m×190 m 范围进行网格加密，网格尺寸为0.8 m， 从此区域往外网格尺寸逐渐增加，最大为2.2 m。 计算区域有效网格数量1 490 万。 网格数量根据不同计算工况与水位有所变化。

3.模型试验成果及分析

（1）一期上围拆除高程影响分析

在一期上游围堰全线拆除条件下，针对围堰不同拆除高程的影响进行试验研究。 对截流戗堤合拢上、下游的水位差值（未闭气）进行对比。

当截流流量Q=2 380 m3/s， 一期围堰拆除底高程为23.00 m、24.00 m、25.00 m 时，截流最终落差分别为1.73 m、1.89 m、2.67 m，相对围堰全部拆除至22 m 时的1.64 m 落差分别增大0.09 m、0.25 m、1.03 m；

当截流流量Q=3 870 m3/s， 一期围堰拆除底高程为23.00 m、24.00 m、25.00 m 时，截流最终落差分别为1.70 m、1.76 m、2.22 m，相对围堰全部拆除至22 m 时的1.66 m 落差分别增大0.04 m、0.10 m、0.56 m。

两级流量试验成果相比可知，大流量时一期上游围堰拆除高程对截流终落差的影响相对较小。

（2）截流龙口位置比选

考虑不同龙口位置对截流难度的影响，对于龙口位于主河槽和龙口位于左岸滩地两种情况进行了截流难度的对比试验。 试验条件为：一期围堰全线拆除至高程22 m，流量采用10 月下旬多年平均流量3 870 m3/s。

龙口位于主河槽，即将龙口设置在主河道最深点附近。 先从左岸进行预进占， 利用一期上游围堰拆除料，进行纵向围堰右侧岩石漫滩部位的预进占，左岸戗堤进占至岩石漫滩边缘，做好戗堤裹头防护，然后从右岸进行进占截流。

龙口位于左岸滩地， 即龙口设置在纵向围堰右侧22.00 m 高程滩地，截流戗堤从右岸单侧进占至纵向围堰。

经对比，两种情况下都能顺利合龙。 龙口位于深槽的方案虽然落差和流速小，但龙口水深、流量大，相对龙口位于滩地的方案，在龙口宽80～20 m时，流量约为1 016～86 m3/s，深槽的大块石用料量多2.6×104m3（含裹头7 680 m3）， 且需在左戗堤做20 m 石笼裹头，施工难度大，施工条件也复杂。 故推荐龙口位于左岸滩地布置。

（3）推荐方案截流进占试验

经过试验研究最终确定截流推荐方案：戗堤轴线为直线布置，轴线与纵向混凝土围堰夹角81.64°； 戗堤总长285.0 m，戗堤顶高程29.87 m，戗堤顶宽度15.0 m；龙口位于左岸滩地。

截流龙口段试验： 一期上游围堰全部拆除至23 m， 龙口段100 m 至0 m， 截流龙口进占由右岸非龙口段预进占堤头单向立堵进占至纵向围堰。龙口段进占流量为1 050 m3/s、2 380 m3/s、3 870 m3/s。

①预进占

通过观测预进占流量4 350 m3/s，以及工况一（一期上游围堰拆除至25 m、剩余100 m）和工况二（一期上游围堰全部拆除至23 m、 下游围堰剩余155 m）的落差、流速和用料等参数，以石渣料能进占的宽度作为龙口宽度的标准， 结合施工现场实际情况，并参考类似工程，确定截流龙口宽度为150 m。此时，进占落差小于0.80 m，流速在3.00 m/s 左右。

②龙口段进占

上游来流沿纵向围堰平顺进入明渠，水流行进至上口门，由于上戗堤轴线进占方向向下游偏斜，与水流方向斜交，水流受堤头上挑角挑流作用明显， 堤头轴线及下挑角断面为回流且流速较小， 挑流线在轴线处距堤头约25 m， 与戗堤轴线夹角约45°～60°，戗堤下游右侧河道右岸侧为狭长回流区，随着口门缩窄回流区不断向下游延伸。 堤头挑流作用明显，能保护轴线及下挑角抛投材料，同时堤头上挑角处水流稳定，水流对堤头无明显顶冲，戗堤轴线方向合理。

推荐方案条件下，一期上游围堰全部拆除至23 m，截流流量1 050 m3/s，截流最终落差为1.88 m， 龙口最大流速5.11 m/s， 龙口最大平均流速4.85 m/s，戗堤头部最大流速4.28 m/s，截流最大块石尺寸1.2～1.6 m；截流流量为2 380 m3/s 和3 870 m3/s 时， 截流难度有所降低。

通过物理模型试验各种截流工况计算不同截流龙口宽度对应最大床面切应力，认为预留龙口宽度100 m 较为合理，对应最大床面切应力为18.18Pa。

（4）三维数学模型计算成果

通过三维数学模型分析可知，由于截流戗堤采用右岸单侧进占，在河道过流宽度束窄后，龙口下泄水流主流位于纵向混凝土围堰右侧22.00 m高程河漫滩上，纵向混凝土围堰堰脚处于高流速区，堰脚处流速最大可达5.0 m/s 以上， 截流戗堤堤头上游侧对水流的挑流作用明显， 在堤头下游侧形成一流速较小回流区。

床面切应力较大区域基本与高流速区相对应，位于截流戗堤堤头上游侧边坡和22.00 m 高程漫滩。 最大切应力发生位置一般位于戗堤堤头上游侧坡中、龙口位置床面和一二期工程结合部右侧位置床面。同时纵向混凝土围堰堰脚位于高流速区，因此纵向围堰堰脚切应力数值沿线均较大，在20.0 Pa 以上， 截流过程中应对纵向围堰堰脚做好防护。

三、二期围堰长期高水位运行关键技术研究

1.堰体填料的工程特性研究

针对围堰填料的水下抛填密度和水下坡角、围堰填料的力学特性与渗透变形特性、砂砾石料与塑性混凝土的接触特性等问题，进行了离心模型试验、填料水下抛填密度和水下坡角试验，结合相对密度试验、大型压缩试验结果和类似项目经验，对二期围堰抛填料和碾压料的室内试验干密度提出了建议；针对抛填料、碾压料进行了大型三轴试验、大型压缩试验、渗透变形试验，推荐了抛填料、碾压料的抗剪强度指标、E～μ(B)变形参数及渗透特性指标；采用大型叠环式剪切仪，进行填料与塑性混凝土防渗墙之间的大型剪切试验，揭示了塑性混凝土与填料界面切应力—切位移规律，并按照双曲线模型整理出了接触面非线性模型参数。

2.塑性混凝土防渗墙材料研究

通过塑性混凝土的配合比试验，优选出试验配合比为S13 号、S17 号，即水泥用量达130 kg/m3及140 kg/m3时，塑性混凝土28 d 抗压强度分别为2.8 MPa 及3.0 MPa（黏土掺量120～140 kg/m3），90 d 抗压强度分别为3.4 MPa及3.8 MPa；S3 号、S10 号的水泥用量为160 kg/m3及200 kg/m3， 塑性混凝土7 d 抗压强度分别为3.0 MPa 及4.4 MPa，28 d 抗压强度分别为5.4 MPa 及7.2 MPa。 混凝土模强比均低于250。渗透系数在i×10-7～i×10-8cm/s量级范围，均满足一般防渗墙的抗渗要求。 针对优化配合比，确定了塑性混凝土防渗墙材料的各种物理力学指标及其应力应变关系参数。 施工前应复核塑性混凝土配合比、确定施工配合比。 施工中应加强对水泥、砂石骨料等原材料质量控制，掺入黏土时宜采用湿掺法以泥浆形式掺入。

3.二期围堰断面优化设计研究

采用试验获得的堰体填料参数，模拟施工填筑及水位升降过程，针对二期上游围堰典型断面开展平面二维有限元应力变形计算分析，对塑性混凝土防渗墙进行参数敏感性分析，提出相应优化建议。 建立二期上游围堰的三维整体模型，进行围堰三维非线性有限元应力变形计算分析，获得围堰与防渗体系的三维应力变形性状，分析防渗体系破坏可能性，详细论证围堰设计方案安全性，对有安全隐患的部位，提出合理的工程建议。

①完建期堰体竖向位移极值为27.2 cm，占最大坝高的0.54%，向上游的水平位移极值为-8.0 cm，向下游的水平位移极值为11.6 cm，大主应力极值为-1.3 MPa； 蓄水期堰体竖向位移极值为31.6 cm，占最大坝高的0.63%，向上游的水平位移极值为-7.2cm，向下游的水平位移极值为14.3 cm，大主应力极值为-1.6 MPa。 堰体的应力变形在合理的范围内。

②防渗体系中的塑性混凝土应力水平极值为0.85，小于1.0，二维与三维防渗墙竖向压应力极值分别为-5.8 MPa 与-5.3 MPa。

③防渗墙顶部50 cm 厚常态混凝土顺河向拉应力极值为5.1 MPa， 坝轴向拉应力极值为9.8 MPa，拉应力超过混凝土抗拉强度，存在安全隐患， 建议对常态混凝土全断面配筋处理， 防止防渗体系的局部破坏。

4.二期围堰渗透稳定性分析

针对二期围堰的地质特性及堰体结构，开展一系列渗流计算分析工作，评价围堰的渗透稳定性，并根据需要提出完善设计和加强施工控制的建议。

①土工膜、混凝土防渗墙等防渗体系为二期围堰提供了较好的渗控效果， 墙后堰体内的浸润面低且平缓，渗透比降较小，渗透稳定程度满足要求。 渗流量主要来自堰基，单宽流量为0.60 m3/(d·m)。 ②围堰运行期基坑开挖后，应重点考虑基坑边坡的渗透稳定。 基坑开挖到底后，边坡的一、二级平台均有出逸。 开挖前需做好基坑周边和平台的降水和排水措施。 ③根据三维渗流计算结果，防渗墙入岩形成封闭式防渗后，基坑开挖前后排水量变化不大， 约为135.6～140.6 m3/d。如果河床或左岸滩地表层存在防渗墙未全截断的局部弱风化透水层，则可能导致基坑排水量明显增大，施工中须注意防范。