德厚水库大坝截流设计

毕桉靖 阳雯 云南省水利水电勘测设计研究院

1.工程概述

德厚水库位于云南文山市德厚河上，水库总库容1.13亿m³，大坝采用粘土心墙堆石坝，最大坝高70.9m，坝后电站总装机2.2MW，抽水泵站总装机10.22MW，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型。

2.大坝施工导流

2.1 导流方式和导流标准

本工程大坝施工采用一次拦断河床围堰挡水，隧洞过流的导流方式。主河床截流后第一个枯水期，由截流堰体挡水，导流隧洞泄流，同时进行上游全年挡水围堰填筑施工。后期由坝体挡水、导流隧洞泄流进行导流。

德厚水库大坝为2 级建筑物，大坝上游挡水围堰级别为4 级建筑物，截流堰体为5 级建筑物。截流堰体采用枯期10 年一遇洪水标准（P=10%），设计洪峰流量Q=18.8m³/s。大坝上游围堰采用全年10年一遇洪水标准（P=10%），设计洪峰流量Q=121m³/s。

2.2 主要导流建筑物

导流隧洞布置在大坝右岸，与水工泄洪隧洞采用“龙抬头”结合。隧洞洞身总长404.3m，进口高程1324.00m，洞身断面为圆拱直墙形，导流专用段尺寸为3.0m×3.5m（宽×高），底坡i=0.016。结合段尺寸为3.5m×4.0m（宽×高），底坡为i=0.03。

上游围堰采用土石围堰，顶宽11.0m，堰身与大坝永久坝体为部分结合，迎水坡比为1:2.5，背水坡比为1:2.0，最大堰高23m。

3.截流设计

3.1 截流时段及标准

根据本工程水文资料和施工总进度计划安排，选择在第一年12月进行截流。截流标准采用重现期为10年的12月月平均流量Q=8.7m3/s。

3.2 截流方式

坝址区地形狭窄，岸坡陡峭，呈典型“V”字型，因立堵截流方法施工灵活简便，对施工场地及施工交通适应性较强，可根据实际流量大小，决定抛投材料及抛投方式，故本工程采用单戗立堵的方式进行截流。为降低截流施工强度，采用两岸双向预进占、由右岸进占进行截流。

3.3 截流戗堤

根据导截流方案，截流戗堤布置于上游围堰和导流洞进口之间，截流戗堤采用土石填筑堰体，顶宽6.0m。上游坡比为1:2.5，下游坡比为1:2.0，最大高度5.3m。上游采用粘土斜墙及铺盖防渗。

3.4 截流水力计算

（1）计算模型

截流计算流量由四部分组成：QJ=QL+Qd+QX+Qs

式中：QJ为截流设计流量；QL为龙口泄流量；Qd为泄水建筑物泄流量；QX为戗堤前河道调蓄流量；Qs为渗透流量。

根据上述公式，联立方程组求解可得龙口不同宽度下各水力要素：如龙口流量、龙口平均流速、龙口落差、龙口水流单位功率等，从而进一步确定截流抛投料粒径。

（2）基本计算假定

①龙口进占施工中，按水力学定义龙口流量QL和导流隧洞分流量Qd均为非恒定流；但在截流该相对较短时段内，可按恒定流进行简化计算。

②德厚水库坝址地形狭窄，截流库容较小，可忽略河道调蓄作用，即QX=0；截流时戗堤堰身、堰基渗透流量较小，计算时可忽略渗透流量的影响，即Qs=0。式中QX、Qs均取值为0,作为截流计算安全储备同时也便于简化计算。

③本工程截流时导流隧洞内为无压流，隧洞泄流流量按宽顶堰公式计算。

④采用简化宽顶堰计算方法推求龙口泄流量。计算时：非淹没流时龙口水深取临界水深，淹没流时龙口水深取下游水深；龙口水面水平，不计水面起伏和波浪影响。

（3）计算步骤

①求算导流隧洞的上游水位H与泄流量Qd的关系。

②求算不同龙口宽度时的上游水位H与泄流量QL的关系曲线。

③由上述两项计算成果绘成综合泄水曲线。

4、求算不同龙口宽度的各种水力特性。当截流设计流量QJ已定，利用综合泄流曲线得出相应某一龙口宽度B的上游水位Z以及泄流量Qd、QL。进而计算得出各项水力指标。

表1 导流隧洞泄流曲线表

⑤计算龙口水力参数及截流抛投材料粒径选择。

（4）导流隧洞泄流曲线

根据导流隧洞布置特性，截流时，导流隧洞流态为无压流，可按无底坎宽顶堰流计算:

式中：σs—淹没系数，应根据堰后计算水深hs与上游水头H的比值来判断是自由出流还是淹没出流：hs/H＜0.8为自由出流；hs/H≥0.8 为淹没出流；m—流量系数，取0.34；b—过水断面宽，b=3m；导流隧洞无压流泄流计算成果见表1。

（5）龙口泄流能力计算

根据截流设计流量Q=8.7m³/s，选取截流各个典型龙口宽度，分别假定此时龙口下泄流量，并通过下游河道流量～水位关系查得龙口下游水位，经反复试算求出上游水位与龙口下泄流量关系。计算方法如下：

①淹没流计算：

式中：бn—淹没系数，龙口为梯形时，hn/H≥0.7时为淹没流，бn查巴甫洛夫斯基淹没系数表；龙口为三角形时，hn/H≥0.8为淹没流，бn查别列津斯基淹没系数表。m—流量系数，取0.32；Bcp—龙口平均过水宽度，m；Bcp=Shn+b。b—龙口底部宽，m；S—龙口两侧坡度，取1.5。H—龙口上游水深，m；hn—龙口下游水深，m。

②非淹没流计算：

式中：m—流量系数，取0.32。其他符号意义同上。

QL与临界水深hk均未知，需通过试算。当龙口为梯形过水断面时，由试算得hk，式中Bk、Wk分别为临界水深时对应的过水断面宽及面积；当龙口呈三角形过水断面时，由hk=(2QL2/(gS2))1/5，式中S为龙口两侧坡度，取1.5。

（6）龙口水力要素计算

单宽流量q=QL/Bcp,

龙口落差Δz=H-hp，hp—龙口水深，淹没流时取hn，非淹没流时取hk。

龙口单宽功率：N=γ·q·Δz；龙口平均流速：v=q/hp，

截流计算的龙口水力要素见表2。

3.5 截流水力要素分析及抛投材料粒径选择

本工程截流时水文条件确定，水力条件较为单一，由计算可知龙口最大平均流速为2.6m/s，最大落差为0.53m，最大单宽功率为2.01t.m/（s.m），只要对截流材料及施工机械充分准备，做好龙口保护，大坝截流难度不大。根据水流作用下石块的稳定计算，本工程截流抛填料粒径选择范围为0.2m～0.8m，选用大坝坝肩开挖石渣料即可满足要求，为保证顺利合龙，可预备一定数量的当量粒径0.8m～1m的大块石作为合龙遭遇困难时的应急抛投料。

4.结语

根据德厚水库水文气象、地形地质条件，结合工程建筑物布置及施工总进度计划安排，本工程合理使用枯水期，科学选择截流方式和截流材料，使德厚水库大坝于2016年12月21日成功截流，截流后德厚水库施工进展顺利。