基于水力破坏试验的和田河临时溢流土坝设计

吴建军

(新疆塔里木河流域和田管理局,新疆 和田 848000)

1 概 述

目前,国内用于农业灌溉的土坝水库恶化严重,尤其在和田河流域,需要紧急且具有成本效益的修复[1-2]。此外,每年都有大量的土坝因洪水漫溢超过溢洪道的排水能力或地震影响而严重受损,甚至完全失效[3]。为了大幅提高此类小型土坝边坡在溢流和地震荷载作用下的稳定性,研究人员提出在土坝背部堆放向下倾斜的土袋,并在土坝内部锚固土工合成材料来保护边坡[4-5]。该系统称为加长尾部土工袋(GSET),旨在紧急临时洪水期间,保证溢洪道正常运行。

土工袋系统具有自约束机制,其拉力在土工袋板中被调动,并伴随着回填土的压缩而变形。这种机制提高了填充体中的围压,使得填充体的强度增加[6]。因此,通过预压实在土工合成材料土袋内形成较大拉力。堆叠式土工袋系统由于上覆土袋重量的限制作用,可以在溢流中保持稳定[7]。另外,需要通过植被覆盖等措施,保护放置在下游堤坝上的土工袋外表面免受紫外线照射。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

和田河流域位于塔克拉玛干沙漠南缘、昆仑山北麓,流域总面积48 870km2。该地区气候干燥,降水稀少,多年平均潜在蒸发量2 648.7mm,多年平均降水量仅为39.6mm,多年平均气温12.8℃,属于暖温带大陆性干燥荒漠气候。汛期洪水是和田河下游两岸天然植被水分的直接补给源,多年平均径流量约43×108m3,其径流量主要集中在6-9月份的汛期,径流补给量占总径流量80%以上,其余时间河道干枯。

2.2 溢流水平

由堆叠的土工袋制成的GSET溢洪道是一种特定类型的阶梯式溢洪道,见图1。随着溢流量的增加,阶梯式坡面水流流态可分为跌落水流、分离水流和自由跌落水流3个溢流水平。跌落水流的特征是在每个土工袋台阶上形成一个推覆体和一个气囊;分离水流的特征是在每个台阶处形成涡流。

图1 由加长尾部土工袋制成的基本溢洪道

2.3 水力破坏试验

通过对高3.5m、宽2.3m的全尺寸GSET溢洪道进行水力破坏试验,分析各工况下GSET溢洪道的抗溢流稳定性。下游斜率(H∶V)设置为1∶1.2,溢流水平逐级增加。试验中,观察不同溢流水平对台阶边坡的不同破坏模式及侵蚀速率。见图2。

3 结果与分析

3.1 允许溢流分析

通过观察3个溢流水平对台阶边坡的不同破坏模式发现,在2级溢流水平(分离水流,溢流深度0.24～0.32m)时,发生轻微的破坏,包括从土工袋界面之间的空隙中吸出少量的回填材料、穿孔和土工袋的表面属性;土坝模型加固边坡的侵蚀发展速率较慢。在3级溢流水平(自由落体水流,溢流深度0.32～0.58 m)时,由于自由落体水流能量较高,水流贯入土工袋发生严重破坏;土坝加固边坡的侵蚀发展速率显著。

图3为根据水力破坏试验结果确定的GSET溢洪道在溢流流量下的水力性能曲线。由于2级溢流水平下的侵蚀发展速度非常低,因此在2级溢流时的允许持续时间非常长,表明GSET溢洪道的稳定性可以保持在2级的临时洪水中。当溢流水平变为3级形成自由落体水流时,允许的持续时间变短。在溢流深度为0.32～0.50m范围内时,由于允许持续时间很短,小于180 min,GSET溢洪道的稳定性变得至关重要。

图3 GSET溢洪道水力性能曲线

3.2 性能设计分析

本节讨论GSET溢洪道在洪水稳定性方面的性能设计。通过进行引起故障的液压溢流全尺寸试验,评估GSET溢洪道抗溢顶的性能。在此基础上,提出GSET溢洪道的性能设计。某土坝在现有溢洪道排涝能力不足的情况下,图4(a)给出了通过增设GSET溢洪道来对土坝进行补救工作的示意图。图4(b)为现有溢洪道和GSET溢洪道的横截面图,其中B为各自溢洪道的宽度,Δh为现有溢洪道与GSET溢洪道底部高程差,DWL为设计洪水水位。

图4 通过GSET溢洪道增加排水能力的补救工作示意图

通过对和田河流域2004年洪水事件导致溢流使小型土坝发生完全溃决的实例,进行GSET溢洪道洪水分析,确定GSET溢洪道宽度BGSET和Δh的取值。该小型土坝的特性值见表1。

表1 小型土坝的特性值

图5为气象厅记录的和田河流域降雨历史和洪水分析计算的溢流深度。由图5可以看出,在没有GSET溢洪道的情况下,估计的溢流深度在很大程度上超过设计洪水水位,现有溢洪道的排水能力不足以应对这次洪水事件。但超过规定的设计洪水水位的溢出持续时间很短,在几个小时内。

图5 降雨历史和洪水分析计算的溢流深度

采用相同降雨事件进行洪水分析计算,得到的现有溢洪道与GSET溢洪道的水位不同高程差时,溢流水深与GSET溢洪道宽度的关系见图6。本次洪水分析采用水工试验,得到的GSET溢洪道流量系数为1.5。当本次洪水稳定设计允许的溢流深度和持续时间分别为0.32～0.50m和180min时,图6中的阴影区可以满足以下条件:对于设计洪水水位,溢流深度小于0.70m,GSET溢洪道溢流深度小于0.50m,溢流深度范围0.32～0.50m时的持续时间在180min内。

图6 GSET溢洪道宽度与溢流深度的关系

在阴影区域内,当A点处Δh=0.20m时,GSET溢洪道的最小宽度为4.0m。确认满足溢流深度从0.32～0.50m的持续时间是否在180min内的条件下,GSET溢洪道宽度为4.0m,Δh=0.20m,GSET溢洪道溢流口处的溢流深度时程曲线见图7。由图7可以看出,该持续时间等于122min,低于180min,满足条件溢流深度从0.32～0.50m的持续时间在180min内的条件。当GSET溢洪道宽度为12.5m时,仅允许2级溢流水平的设计结果偏于安全。

图7 GSET溢洪道溢流口处的溢流深度时程曲线

4 结 论

本文在分析溢流深度和持续时间允许组合的基础上,提出了GSET溢洪道的洪水设计示例。结论如下:

1)在2级溢流水平,溢流深度小于0.32 m的跌落水流状态下,GSET溢洪道对溢流的阻力足够大,仅造成较小的损坏。

2)在3级溢流水平,溢流深度为0.32～0.58m的自由跌落水流状态下,因为钢筋坝坡的侵蚀发展速度相对较高,GSET溢洪道只能暂时表现出较高的阻力,持续约3h。

3)根据允许的溢流深度小于0.32m进行设计时,实用的GSET溢洪道的宽度约为12.5m。如果在设计中考虑对溢流深度为0.32～0.50m的暂时阻力,则可采用较小的溢洪道宽度。

4)分析结果表明,通过GSET溢洪道对现有土坝的补救工作是有效的。尤其是对于小型土坝,可以设计成针对相对较小的盆地面积造成的短峰洪水。