工程明渠提前截流方案及水力学试验研究

2017-06-06刘海燕

黑龙江水利科技 2017年3期

关键词：水力学龙口明渠

刘海燕

(辽宁省阜新市彰武县水利局，辽宁阜新 123200)

工程明渠提前截流方案及水力学试验研究

刘海燕

(辽宁省阜新市彰武县水利局，辽宁阜新 123200)

为保证彰武县水库导流明渠工程截流成功，文章通过水力学及水工模拟试验，通过工程各项水力参数指标验证了其截流设计方案的可行性，并对试验中所存在的问题进行了分析探讨，提出了降低工程截流风险的对策建议和工程截流推荐方案，为工程的顺利实施提供了科学依据。

导流明渠；截流方案；截流试验；相关分析

1 概述

彰武县是辽宁西北部的一个县城，全县面积为3635km2，全县总人口41.86万人，其中农业人口34.67万人。全县自西向东分布着绕阳河、柳河、养息牧河和秀水河四大河流水系，其中：绕阳河流域面积923.6km2，建有小型水库8座；柳河流域面积935.9km2，建有小型水库15座，中型水库1座，大型水库1座；养息牧河流域面积1524.6km2，建设有小型水库15座，中型水库1座；秀水河流域面积250.9km2，建有小型水库4座，以上四大流域共建大、中、小型水库45座，其中省管大型水库1座(闹德海水库)，地方管理的中小型水库44座，其中中型2座，小型水库42座。

这些水库大坝为均质土坝，坝高在4.5-23.5m，坝长在48-1850m，这些水库大多数为20世纪50—60年代修建，由于当时设计、施工条件以及水库建成后，长期运用，年久失修，大部分带病险运行，为了保障水库发挥灌溉和防洪效益，每年在到汛期前对水库明渠都采取临时导流措施，以保证水库汛期安全。

2 模型试验

2.1 试验设计

将河床地形地质、围堰结构等因素综合考虑进去，将龙口设置在河床中部，以保证截流前河水能够顺畅通过龙口下泄。节流所采用的抛投材料为：

石渣：0.1m<原型粒径<0.3m；

中石：0.3m<原型粒径<0.7m；

大石：0.7m<原型粒径<1.0m；

特大石：1.0m<原型粒径1.2m。

2.2 试验结果

流量不同的情况下，截流试验中相关的水力学参数如表1。

特大石截流材料抵抗水流冲刷的流速可以通过依兹巴士公式求得：

(1)

式中：γ1为块石容重，t/m3，取γ1=2.5t/m3；γ为水流容重，取γ=1.03t/m3；D为块石当量直径，m；k为块石重量，kg/m3。

经计算，特大石截流材料抗水冲流速v为7.68m/s，但901m3/s工况下最大点流速为7.82m/s，可见石块在水流作用下启动正常，所以坍塌现象并非偶然；而268(无护底)m3/s、268(护底)m3/s、385(设计)m3/s、385 (比较)m3/s和600m3/s工况下整体水力参数明显低于901m3/s，故其坍塌程度要轻于901m3/s。

假设坍塌发生前堤头前沿的边坡角为α1，坍塌后边坡角为α2，堤头坡脚的冲刷深度为△H，戗堤堤高为H，堤宽B，则可以通过建立截流戗堤坍塌模型求得坍塌长度L和坍塌高度h：

L=H×ctanα2-H×ctanα1

(2)

h=(H+△H)[]

(3)

表1 截流方案主要水力参数

从表1可见，本水库导流明渠工程龙口落差、平均流速等水力学指标均较高，各工况普遍存在抛投料流失现象，试验中的抛投进占方式统统采用上挑脚方式，设定抛投强度为300m3/h，特殊工况下的抛投强度为350m3/h。试验过程中左戗堤裹头处冲刷严重且发生大规模坍塌，坍塌主要是由水流作用引起，即水流冲刷左岸戗堤下游的角坡裹头并造成上陡下缓进而引起推动式冲刷，将裹头内部小块石冲走进而引发牵引式坍塌。

经过计算，600m3/s工况的坍塌长度L为4.0m，高度h为6.2m，这与实际坍塌情况基本相符，经过试验可以发现，通过延长裹头长度(延长至7m)或增大裹头材料粒径(增大至1.5m)则可以有效控制坍塌的发生，还可以通过降低戗堤高程或加宽戗堤的方式降低坍塌发生的概率。

2.3 截流流量和截流方案

本工程截流难度大，比较不同流量级别下的截流难度表明，截流流量为901m3/s时，堤坝冲刷和溃堤最为严重，且抛投料会遇严重漏损。流量为268m3/s时水力学指标均较低，且抛投料漏损较少，截流流量小，综合比较后选取截流流量为268m3/s，虽无护底和护底水力学指标相似，但护底施工难度较大且受龙口水力因素及冲刷影响较大，建议采用截流流量268m3/s(无护底)，该方案戗堤预进占各区段备料及龙口合区段备料详见表2和表3。

表2 截流戗堤预进占各区段备料表 (工况268m3/s无护底)

表3 合龙各区段备料表(工况268m3/s无护底)

2.4 相关分析

本水库导流明渠工程截流难度较大的原因在于分流条件，分流条件是决定截流落差Z和截流难度的重要变量。本工程溢洪道进口底板高程473.0m，截流戗堤轴线主河床底高程为469.0m，低于溢洪道进口底板，进而降低了溢洪道的分流能力，而当本工程龙口宽20m时，在工况268m3/s无护底下，分流比为零，分流能力处于最低水平。将试验结果描绘在图中，便形成分流建筑物Z-Q曲线，如图1所示。

图1 分流建筑物Z-Q曲线图 (工况268m3/s无护底)

结合水量与能量平衡算式，当本水库导流明渠工程龙口宽18m时，分流建筑物所具有的分流比为0.5，流速的平均值为2.6m/s，渠道单宽流量8.9m3/s·m，已经大大降低截流风险。溢洪道虽为永久建筑物，但其分流能力严重不足，若想彻底消除截流过程的风险度，必须修建截流分水闸或泄水道，以确保截流任务顺利完成。