莫莫克水利枢纽工程施工截流模型试验

辛军社

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 前言

莫莫克水利枢纽的地理位置在新疆提孜那甫河流域中游山区性河段,坝址在叶城县柯克亚乡境内,枢纽工程与流域下游的玉孜门勒克水文站直线距离37.64 km,与叶城县的直线距离为103.96 km。枢纽工程坝址断面所控制流域面积为0.45×104km2,工程兼具防洪、灌溉、养殖、发电、景观等功能。库址处流量均值为31.12 m3/s,年径流量均值为8.94×108m3,水库蓄水位正常值为1894 m,所对应的库容为8448×104m3,死水位1873 m,对应库容1806×104m3,调节库容6642×104m3（泥沙淤积30 a后为5269×104m3）,电站装机容量26 MW。

泄洪冲沙洞围堰采用粘土心墙砂砾石围堰,堰顶宽度为6.0 m,堰轴线长373.155 m,最大堰高5.5 m。堰体及堰基防渗采用黏土心墙防渗。泄洪冲沙洞出口围堰典型断面见图1。该水利枢纽工程主要采用粘土截渗槽的基础防渗形式,迎水面和背水面设计边坡分别为1∶0.2和1∶1.5,迎水坡面及坡脚2 m范围内设置厚度0.5 m的格宾石笼防护结构。

图1 泄洪冲沙洞出口围堰典型断面图

莫莫克水利枢纽坝址处为大比降山区性河道,水流湍急且河道坡降大,存在较大的截流难度。因受到下游水库回水的影响,坝址区河道所具有的天然属性发生改变,水位壅高,流速减缓。莫莫克水利枢纽正是利用水库回水进行截流设计施工。莫莫克水利枢纽左岸的泄洪冲沙洞进口处预留拦渣岩坎,上游水位在进行龙口进占施工的早期阶段不高,泄洪冲沙洞由于分流条件不足,导致来水量全部从龙口断面流过后渗入戗堤泄流。龙口段不断束窄变化后水力增大,随着戗堤上游水位的上升,最终超过泄洪冲沙洞进口岩坎,此时,泄洪冲沙洞才真正起到来水量分流作用。考虑到本枢纽工程泄洪冲沙洞分流时段所处的阶段,故提出在泄洪冲沙洞进口岩坎设置一定深度的缺口,达到提前分流并降低龙口段水利指标的目的。

2 试验设计

为进行莫莫克水利枢纽泄洪冲沙洞施工截流分析,采用正态动床截流模型[1],并根据重力相似准则[2]使所构建的试验模型和枢纽工程原型在几何形态上相似,即按照比例尺将工程原型同比例缩小,以得出试验模型设计尺寸；此外,试验模型和工程原型还应具备相同的动力形态及水流运动形态。按1∶60确定试验模型几何比尺L,试验模型的制作材料主要选用有机玻璃,模型单宽流量比尺Q、流速比尺V、时间比尺T和糙率比尺n分别按照1.5=456.625、0.5=7.467、0.5=7.467、1/6=1.855设计。结合莫莫克水利枢纽河道特征,参照枢纽泄洪冲沙洞上游至坝轴线以上800 m,下游至坝轴线以下1200 m的距离确定模型长度,并按照等高线法采用水泥砂浆塑制高程以下岸坡和水下地形。

按照单戗立堵的截流方式从莫莫克水利枢纽左岸向右岸进占截流,为合理确定设计截流标准、可能的分流条件并进行设计截流方案合理性的判断,应根据水利枢纽工程所在流域实际情况,以10月下旬~11月中旬为设计截流时段,并取10 月下旬785 m3/s,11月上旬710 m3/s,11月中旬635 m3/s的流量为截流试验过程中的平均流量。在莫莫克水利枢纽左岸设置两条泄洪冲沙洞导流洞,并选择单导流洞分流、双导流洞分流两种截流分流方式。为降低龙口水力指标,达到优化分流的目的,还应在左岸的泄洪冲沙洞进口岩坎增设缺口,分别分析无缺口、30 m缺口、75 m缺口三种工况下分流效果。考虑到本次针对莫莫克水利枢纽工程泄洪冲沙洞所进行的截流试验主要目的在于分析和研究流域枯水期时段下游水位变化对截流过程的影响及可能引起的截流难度增加情况,为此,试验所设定的下游库水位应低于正常水位,结合水库运行实际,分别拟定1894 m（水库正常蓄水位）、1891 m、1888 m三种水位进行截流模型试验。

3 试验成果分析

3.1 截流时段的比较

当10月下旬设计平均流量Q=785 m3/s时,莫莫克水利枢纽左岸泄洪冲沙洞单导流洞截流分流方式和双导流洞截流分流方式下,截流龙口流速均值最大分别达5.38 m/s和5.64 m/s。11月上旬流量均值Q=710 m3/s时,莫莫克水利枢纽左岸泄洪冲沙洞单导流洞截流分流方式和双导流洞截流分流方式下,截流龙口流速均值最大分别达5.27 m/s和5.32 m/s。11月中旬流量均值Q=635 m3/s时,莫莫克水利枢纽左岸泄洪冲沙洞单导流洞截流分流方式和双导流洞截流分流方式下,截流龙口流速均值最大分别达5.05 m/s和5.01 m/s。水力学指标具体见表1。通过对截流试验结果的对比分析可以看出,按照所设计的截流流量,龙口水力学指标均较为接近,仅从截流可靠性角度考虑,三种截流流量均具可行性,出于施工工期考虑,推荐使用10 月下旬流量均值Q=785 m3/s的设计结果。

表1 不同截流分流方式下龙口水力学参数

3.2 导流洞分流能力比较

在785 m3/s、710 m3/s、635 m3/s的截流试验设计流量下,比较分析单导流洞和双导流洞两种截流分流方式下泄洪冲砂洞及龙口水力学参数。考虑到龙口进占前期泄洪冲沙洞导流洞不过流的实际情况,在上述两种截流分流工况下戗堤上游水位只有满足临界水位条件后才会产生分流流量,该临界水位即为岩坎高程,也只有当上游水位升高至淹没泄洪冲沙洞导流洞进口岩坎后,导流洞截流分流的作用才得以真正发挥。根据试验结果,当截流设计流量为785 m3/s、710 m3/s时,临界水位位于30 m~35 m的龙口宽度下,而截流设计流量为635 m3/s时,临界水位处于25 m~30 m的龙口宽度。试验结果见表2。

通过比对同流量组内不同截流分流方式的分流流量发现,单导流洞截流分流和双导流洞截流分流的差别主要体现在分流难度最大及以后时段,且双导流洞截流分流效果略微优于单导流洞分流。

3.3 截流难度的降低

按照正常截流分流设计,龙口流速均值最大可达5.38 m/s,为降低截流难度,确保截流施工安全,应采用在泄洪冲沙洞导流洞进口岩坎增设缺口的方式,使上游水位降低、分流时段大大提前,从而达到截流难度降低的目的。结合对试验结果的分析可知,针对本水利枢纽泄洪冲砂导流洞进口岩坎所采取的增设缺口的工程措施的确起到了提前截流困难时段及对龙口流速曲线削峰[3]的作用,将龙口处流速最大值从5.38 m/s降至5.01 m/s；将岩坎缺口宽度从25 m增大至60 m,在相同的分流时段下增加分流量,则流速最大值会从5.01 m/s降至4.86 m/s。

3.4 截流戗堤

结合截流模式试验,当试验流量在635 m3/s ~785 m3/s区间且上游戗堤闭气后戗堤水位达到1891.45 m~1895.31 m,考虑堤顶安全超高,则堤顶高程满足安全要求。在截流模型试验过程中也从未出现戗堤失稳,可见25 m的戗堤顶宽设计符合工程实际及安全施工的要求。截流模型试验中随龙口进占,戗堤上游坡脚处流速均值超出龙口流速均值,且坡脚处存在局部冲刷,所流失的堤坝材料堆积在戗堤下游,使下游局部水位升高,反而为截流进占和戗堤稳定提供了便利条件。

3.5 抛投料用量

合龙试验流量设计值分别为785 m3/s、635 m3/s时抛投料用量试验结果见表3。与Q=785 m3/s的截流试验流量相比,当截流试验流量Q=635 m3/s时,抛投材料总用量及其中的大粒径抛投材料用量均有不同程度减少；抛投材料冲失量也减小,这也表明截流试验流量Q=635 m3/s时截流难度降低。

表3 抛投料用量试验结果

综合比较上述试验结果,当截流试验流量Q=785 m3/s时水力条件较为恶劣,且抛投材料大量流失,而当截流试验流量Q=635 m3/s时不同龙口宽度所对应的泄洪冲沙洞导流洞分流流量较小,考虑到莫莫克水利枢纽左岸泄洪冲沙洞导流实际,应将截流流量确定为Q=635 m3/s,其水力学指标仍然较高,且截流难度明显降低；与此同时,为保证截流施工过程的顺利进行,应当按照1.5~2.0 的备料系数充分准备各级配抛投材料,为减少最困难阶段抛投料流失,还应同时准备钢筋石笼。

4 结论

根据莫莫克水利枢纽左岸的泄洪冲沙洞截流试验过程各工况试验结果分析,在导流洞进口岩坎增设缺口以改善截流分流条件,降低分流困难的方案切实可行,且试验结果表明,莫莫克水利枢纽左岸的泄洪冲沙洞应采用导流洞进口截流流量确定635 m3/s,单导流洞和双导流洞的截流分流方式,且导流洞进口岩坎缺口宽度60 m的截流方案。此外,在截流进占施工过程中,岸堤堤头流速比龙口流速均值大,会造成岸堤堤头冲刷,并可能在左堤头处形成冲沟,必须引起注意。