大沙坝水电站施工汛期导流坝面过水设计研究

2014-04-26黄立群杨炳桂严烈冰

水力发电 2014年5期

黄立群，杨炳桂，严烈冰，何力

（1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021；2.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院有限公司科学研究分院，云南昆明 650101）

1 工程概况

大沙坝水库位于西双版纳西南部的澜沧江一级支流南腊河流域内，水库上游是国家自然保护区，总库容6 800万m3，装机容量5 600 kW，属三等中型水库，主要建筑物为3级，水库具有灌溉、发电和防洪等综合利用功能。水库地处低纬度、低海拔地区，地层属于老第三系软质岩，岩性主要为长石石英砂岩和粉砂质泥岩。枢纽建筑物由大坝、灌溉发电（兼导流）输水隧洞和溢洪道组成。大坝为粘土心墙堆石坝，最大坝高39.9 m，坝顶长176.6 m，宽6 m，大坝上、下游坡比相同，其中上部为1∶1.8，下部为1∶2；心墙顶宽5 m，底部最大宽28.4 m，心墙上、下游坡比均为1∶0.3，在心墙上、下游面各设有3层反滤层，每层均厚0.6 m。坝址以上流域面积为910 km2，多年平均年径流量5.12亿m3，水库流域暴雨集中、强度大，汛期时洪水量大峰高。因此，水库施工度汛是设计中的一个重要环节。

大沙坝水库流域具有干湿分明、降水量集中的特点以及地质条件成洞差等因素，故施工导流应考虑尽量减小隧洞的洞径并充分发挥隧洞的作用。水库施工导流方案是枯期采用灌溉发电输水隧洞与导流相结合，洪水标准为枯期10年一遇，设计洪峰流量67.5 m3/s，由导流确定隧洞洞径；汛期采用坝面与导流隧洞联合过流泄洪，洪水标准为汛期20年一遇，设计洪峰流量1 140 m3/s，其中，坝面过水设计流量为1 036 m3/s。通过计算，坝面过水时坝体填筑高度为11.5 m，坝顶高程651.5 m，坝面过水最大流速2.96 m/s，需采取保护措施：①在上游坝坡坡面650～651.5 m高程采用块石保护；②过水坝面采用0.5 m厚大块石保护；③下游坝脚堆石棱体顶高程652 m，略高于过水坝面，棱体外包浆砌块石保护，并且在坝脚3 m范围内堆置钢筋笼护脚；④在左右两岸边坡高程651.5～657 m范围内喷混凝土保护，由于左岸地质条件较差，在左岸边坡上、下游进出口处采用钢筋笼防护。水库施工导流度汛平面布置见图1。

图1 施工导流度汛平面布置示意（单位：m）

2 试验目的与模型设计

工程施工汛期采用坝面与导流隧洞联合过流泄洪。通过模型试验，找出不利于过水坝面的安全控制因素，并提出过水坝面、左右岸坡、下游坝坡和基坑的保护措施，确定下游坝坡溢流面的轮廓体型，观测坝面过水时上游基坑予以冲水保护的要求，以及其他不利因素的控制措施。

水流主要受重力作用，按照重力相似准则设计模型。经过计算比较，选定的模型比尺为1∶30的正态模型。主要水力参数比尺：几何比尺λL=30；流量比尺 λQ=λL5/2=4 929.503；流速比尺 λv=λL1/2=5.477 2；时间比尺 λt=λL-1/2=0.182 6；压力比尺 λp=λL=30；糙率比尺λn=λL1/6=1.762 7。河床糙率n=0.035，坝面糙率n=0.03，相应的模型糙率分别为0.019 86、0.017，实际模型糙率为0.014左右。考虑在坝的下游冲刷区预留动床，回填冲料，冲料粒径按河道冲刷流速V=3 m/s，经计算模型粒径Dm=6～12 mm，实际采用Dm＜15 mm的河沙。

3 试验成果及研究分析

3.1 坝面泄流能力

由于受左岸溢洪道出口山体阻水的影响，试验实测的下游水位值比设计计算值偏高。例如泄流量Q=1 036 m3/s时，下游围堰处实测水位比设计值高0.39 m，溢洪道出口处也高1.48 m。如果下游水位偏高，那么过坝水流的落差将减小，水垫层则加厚，可减轻水流对下游河道的冲刷，是有利因素。其他代表性泄流量的实测值和计算值比较结果见表1。坝面过水流量系数m=0.251～0.397。

表1 坝面过水流量、上下游水位关系以及流量系数

模型采用水泥砂浆抹面，实际的模型糙率（0.014左右）小于河床（0.019 86）和坝面（0.017）的相应糙率。抗冲是坝面保护的重要条件，如果糙率偏小，测得的水深偏低，相应的过流能力偏小，但流速反而偏大。在过坝面流量350～1 036 m3/s时，实测水深为2.76～4.89 m，按相应模型糙率反演水深为3.08～5.49 m，高于实测水深0.32～0.6 m。由此可知，试验实测水深偏低，误差在12%左右，相应坝面过流量偏小，误差在17%左右。故增加两岸边坡的保护高度可以提高坝面的过流能力。

右岸隧洞全长399 m，圆形内径3.6 m，导流隧洞进口底板高程647.5 m，出口底板高程647.16 m。库区4月下旬进入汛期，当H上≤651.14 m （即低于上游围堰）时，导流洞为无压流，Q隧导≤25.17 m3/s；随着上游来水的逐渐加大，当上游水位逐步高于651.5 m时，坝面与导流隧洞开始联合过流，当H上=654～656.5 m 时， Q隧导=47.5～57.5 m3/s，由于水头不高，隧洞过流量变化不大，只占相应坝面过流量的13.55%～5.55%，故施工度汛主要以坝面泄流为主。

3.2 过坝水流的流态

坝体上游右侧接近河床弯道，左岸岸坡伸入库中，来流受弯道及岸坡的影响，在上游围堰处，主流靠近左岸，从实侧流速分布上看，左岸流速大于右岸。在上游围堰前，涨水和过流都有一个过程，水流开始越过上游围堰时比较缓慢，上游基坑充水是一个渐进的过程，当基坑内的水位逐渐升高至过水坝面的顶部高程651.5 m后，坝面开始过水，水流至坝末堆石棱体处，受堆石棱体顶部的阻挡，水位继续雍高，当水位超过堆石棱体高程652 m后，下游坝面开始溢流。

下游坝面泄流时，受上游左岸边坡的影响，坝面主流靠中、右部位，坝面左侧形成静水区。水流在2～4号断面间较为平顺，无紊乱现象，过4号断面后，水面坡降加大，水流逐渐加速。因河道左岸地质条件较差，筑坝时左岸开挖较多，而河床靠近右岸。因此，距坝轴线下游43～49 m坝面左岸收缩较大，坝面宽度由117 m急剧缩窄至79 m，在堆石棱体外缘（6号出流断面）处，溢流宽度仅有64 m，水流受到挤压，加上水流溢流收缩，6号断面处水流坡降及流速迅速增大。过堆石棱体后，水流顺其坝坡流入下游河道。开始泄流时，下游基坑内无水，溢流水头较大，高差约7 m，坝脚处流速约9.4 m/s。随着泄流量的增加，基坑内的水位因下游围堰的阻挡而很快升高，从坝面溢流下的水流潜入下游河床，并向上翻滚，呈漩滚状，表现为底流消能。漩滚位置随泄流量的大小而变化，流量愈大，漩滚愈往下游移动。水流越过下游围堰后仍为急流。

3.3 过坝水流沿程流速分布

在下泄流量为1 036 m3/s时，过坝水流流速分布见图2。可知：粘土心墙范围的流速大部分在3 m/s以下，符合设计要求。水流经过粘土心墙以后，逐渐加速，当流至堆石棱体时，虽然流程只有47.31 m，但流速比4号断面的增加一倍以上。

3.4 水面线及压力分布

根据试验可知，在堆石棱体前的坝面水流比较平顺，左、中、右水深差较小。从1号到4号断面的水面坡降较小，当泄流量为350～1 036 m3/s时，平均坡降为0.155%～0.382%。在4号～6号断面水面坡降开始增大，平均坡降为3%～4.1%。表2列出了泄流量为1 036、350 m3/s时实测各断面的水深和流速情况，其中，V为断面平均流速，Vd为断面平均底流速，VOd为O-O线处底流速。

坝面泄流量分别为1 036、900、760、350 m3/s时，实测坝面沿程压力分布均为正压，最大压力为43.66 kPa（Q=1 036 m3/s），坝面上的压力随着泄流量的增加而增大。堆石棱体下游坝坡的压力分布见图3，由此可知：在棱体顶部压力为负压（此处为折线联结，水流脱流所至），最大负压为-12.3 kPa（Q=1 036 m3/s，在棱体右侧）。其他部位的压力均为正压，并且压力值随着位置的降低而增大，坝脚处最大压力值为84.5 kPa（Q=1 036 m3/s，在坝脚右侧）。

图2 过坝水流沿程底流速分布示意（单位：高程/m、流速/m·s-1）

4 过水坝面的轮廓修改和保护措施

4.1 过水坝面的体型研究

表2 各断面平均水深和流速分布

过水坝面的体型影响水流的流速及水深。由表2可知，坝面泄流量在350～1 036 m3/s时，1号～4号断面的平均流速、平均底流速分布较均匀，大部分在设计允许的流速2.96 m/s范围以内，但2号断面的某些部位流速较大，故上坝肩中、左部位应重点保护。在坝末堆石棱体处，流速增大，最大流速达6.19～10.71 m/s；坝面溢流与下游水位交汇处以及坝脚的流速亦较大，交汇处V=5.69～8.4 m/s，坝脚处V=6.42～8.3 m/s，故堆石棱体、下游坝坡和下游坡脚是坝面过水重点保护的部位。应设法降低重点保护区的流速，并采取相应的保护措施。

经优化设计得到最终方案（见图4）：坝面过水轮廓基本与设计原方案相同；堆石棱体垂直水流向的宽度仍为64 m，在距坝轴线的下游14m处增加缓冲坎（高0.6 m、宽0.5 m）以便降低3号、4号断面坝面流速（保护心墙顶）；坝末堆石棱体顶部向下游伸展6 m，下游坝坡修改为阶梯形状，阶梯尺寸为宽2 m、高1 m、外缘连线坡度为1∶2。修改后坝面及堆石棱体的流速比设计原方案有所降低，最终方案坝面流速分布见表3。

图3 过水坝面压力分布示意（单位：kPa）

表3 各断面平均水深和流速分布（最终方案）

4.2 保护措施

4.2.1 上游坝肩

上游坝坡（上坝肩）在650～651.5 m高程仍用块石防护，通过流态观测，在650 m高程以下采用预充水保护。护面块石大小（粒径）可按工程设计中广泛采用的苏联伊兹巴士公式

式中，V为断面平均流速；Y为稳定系数；s为块石容重；γ为水容重；Ds为块石化引直径；α为下游坝坡坡度；g为重力加速度。最终方案试验中，2号断面 V=2.07～3.99 m/s代入式（1）得到 Ds=10～31 cm。上坝肩中、左部位的块石化引直径为63 cm，相当于要用50 cm×50 cm×50 cm块石保护。

4.2.2 下游坝肩、坝坡、坝脚

下游坝肩、坝坡、坝脚是坝面过水的保护重点部位。下游坝脚堆石棱体坡比为1∶1.5，设计拟用厚0.5 m的浆砌块石保护。在试验过程中，对浆砌块石和钢筋笼两种保护方式进行了模型试验。

图4 沿程坝体过流面轮廓修改前后纵剖面

（1）浆砌块石保护。模型试验时，保护模拟是不相似的，仅能将设计初拟保护块石按比例缩制成1.7 cm×1.7 cm×1.7 cm的混凝土块，干砌在下游坝坡上，定性观看在什么水位和流量下被冲毁，试验结果偏于安全。从试验得知，当H上=653.06 m，Q=74 m3/s时，在下游坝坡上干砌的混凝土块即被冲跨。若按原设计方案试验，在6号断面处用式（1）计算的防护块石化引直径为0.51～2.56 m，在施工中有一定的难度，不予采纳。

（2）钢筋笼保护。模型试验时，首先将钢筋笼防护的阶梯做成定床，施测各阶梯上及与两岸岸坡交接处的流速分布；然后根据钢筋笼的尺寸，按比例缩制成5 cm×5 cm×3.3 cm的铁钢砂混凝土块。模型基本符合重力相似，几何比尺λL=30，重力比尺λG=67 500。缩制的铁钢砂混凝土块干砌在下游坝坡上，定性观看在什么水位和流量下混凝土块被冲跨。经试验，拟定钢筋笼尺寸为1.5 m×3 m×1 m，每笼宽3 m （水流方向），钢筋笼布置见图5。