TB 水电站截流方案与现场截流分析研究

2022-12-26赵银超米热扎提杨磊吴都督陈小云

中国农村水利水电 2022年12期

赵银超，米热扎提，杨磊，吴都督，陈小云

（1.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410004；2.水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉大学，湖北武汉 430072；3.湖北水总工程勘察设计有限公司，湖北武汉 430050）

0 引言

截流是水电工程建设的重要环节，在施工技术和施工组织上都有一定的难度。为保证截流工程安全高效的顺利完成，需要对截流过程进行模型试验研究，分析龙口各项水力参数的变化规律，为截流设计提供依据。

经过几十年的发展，截流技术理论逐步完善。1992年肖焕雄［1］编著的《施工水力学》，奠定了进一步研究截流的良好理论基础。周厚贵、刘光廷等［2］针对三峡大江深水立堵截流进行堤头坍塌计算研究，求出不同工况条件下的堤头坍塌情况，进行有效的坍塌预报。杨文俊、郑守仁等［3］在三峡工程明渠提前截流论证时，研究河床垫底加糙、双戗堤截流配合等关键技术，建立了科学化、信息化、数字化截流框架体系及动态决策系统。范锡峨、胡志根［4］等计算双戗堤立堵截流龙口水力要素时，提出用非恒定流计算方法求解戗堤间恒定流动时的水面线，分析龙口流速变化规律，研究上戗堤、下戗堤进占时截流落差分配之间的关系，提出相应的双戗堤截流优越性判断方法。贺昌海［5］对比了目前存在的风险计算方法的优劣，提出基于完整水力学计算的Monte-Carlo 法计算风险率。随着计算流体动力学的发展，数值模拟计算在水利工程中的应用越来越普遍。刘绿波［6］、戴会超［7］和夏军强［8］用数学模型模拟了三峡工程大江截流龙口水力特性。陆贺［9］结合数值模拟及物理模型试验，研究了引水渠回水槛协助下的立堵截流水流特性。李登松［10］基于FLUENT二次开发的局部冲刷三维数值仿真平台，分析了单向进占时戗堤冲刷特点及物理成因。

近年来，大江大河梯级开发方兴未艾，故多有“一江多截”情况。若能有效利用上级电站进行调洪控泄，将会一定程度降低下级电站的截流施工难度。因此针对澜沧江TB 水电站截流施工，综合运用水工模型试验以及数值模拟方法，分析研究了截流过程中的龙口水力要素，提出了截流推荐方案。并结合实际截流前的现场条件，采用上级电站调控泄流量的方式，降低了截流难度，保证了截流的顺利实施，为今后类似截流施工提供了有益参考。

1 工程概况

TB水电站位于云南省迪庆州维西县中路乡境内，电站枢纽由混凝土重力坝、泄洪设施、引水发电建筑物等组成。TB 水电站初期导流选择围堰一次性拦断河床的隧洞导流方式。左岸布置2条导流隧洞，导流洞为城门洞型，全断面衬砌标准过水断面为11.5 m×11.68 m（宽×高）。

根据TB 水电站工程水文地质条件，初设截流方案为：由左岸向右岸（右岸6 m裹头）单戗堤单向立堵进占的截流方案。截流设计标准采用11 月上旬10 年一遇旬平均流量751 m3/s。对于提前截流方案，截流设计标准采用10 月下旬10 年一遇旬平均流量964 m3/s。

2 截流模型试验设计

2.1 物理模型制作

为了TB 水电站截流施工任务的顺利完成，对初设截流方案进行了物理模型试验。试验采用局部动床模型，按重力相似准则设计，模型长度比尺为λl=60。选取隧洞进口至坝轴线、下游围堰至导流洞出口河床为动床，以测试截流过程中的河床冲刷。动床料粒径以抗冲流速1.5～3.0 m/s来控制。

2.2 截流模型试验方案

截流模型试验主要方案如表1所示。

表1 截流模型试验工况表Tab.1 Test cases of closure model test

2.3 数值模拟设计

采用Flow-3D 进行数值模拟计算。计算采用RNG k-ε 紊流模型，自由液面追踪采用TruVOF 法，采用有限差分法进行离散。模型网格划分时采用结构化网格，综合考虑试验参数测试区域精度要求以及模拟计算时间，把整体模型分为三部分（section1、section2、section3），如图1 所示。其中粉色部分计算区域精度要求较高，网格边长设为1 m，左右两部分网格边长设为2 m，模型总网格数量在1 400万左右。

图1 模型网格块划分示意图Fig.1 Diagram of model grid block

设置计算模型边界条件时，Xmin为进水口（水流流向为X轴方向），该处选择流量边界Vfr并设定流进流量及水位条件；Xmax为下游水位控制点，该处选择压力边界P并设定相应下游水位。Ymax、Ymin、Zmin分别为模型计算区域两侧边及底部，均设为固体边界W；Zmax为模型上表面，选择压力边界P，并设定压强为0、体积分数为0。

3 初设方案截流成果分析

3.1 A工况截流模型试验成果

该工况截流模型试验过程中，戗堤顶宽30.0 m，顶高程1 628.00 m。采用0.06～0.80 m 粒径的石渣混合料，平均抛投强度在400～550 m3/h，可顺利完成截流。合龙后戗堤下游侧的流失体主要是进占料流失，以及进占过程中河床底部的局部轻微冲刷。最终流失料约占戗堤体积的5.0%。在该工况下截流，龙口轴线处最大垂线平均流速为4.57～5.19 m/s；龙口最大单宽流量为19.28～21.75 m3/（s·m）；最大单宽功率为226.72～319.76（t·m/s·m）；截流最大落差为4.54～4.62 m。

A 工况截流最困难龙口宽度在28.8m 附近，该龙口宽度不同岩埂高度下的水力参数对比如下表2所示。

表2 截流龙口水力参数对比表（龙口宽度28.8 m）Tab.2 Comparison of hydraulic parameters of closure gap（The width of closure gap 28.8 m）

由上表可以看出，同一流量下，导流隧洞前岩埂高度从0～3 m 的变化过程中，戗堤上游水位变高，龙口分流量、龙口平均流速及落差等水力参数也都相应的变大。其中戗堤落差增高0.3 m，龙口分流量增加35.76 m3/s，龙口平均流速增大0.64 m/s，龙口平均单宽功率增加93.04 t·m/s·m，整体截流难度呈增大趋势。但在现有施工水平下采用推荐的抛投强度及用料粒径，仍然可以顺利完成截流。

3.2 B工况截流模型试验成果

该工况截流模型试验过程中，戗堤顶宽30.0 m，顶高程1 626.60 m，上挑角进占料粒径约为0.30～0.60 m，跟进料则用0.06～0.80 m粒径的石渣混合料，平均抛投强度400～550 m3/h（原型），可顺利完成截流。合龙后戗堤下游侧流失料体积约占戗堤体积的1.0%。在该工况下截流，龙口轴线处最大垂线平均流速为4.26～4.49 m/s；龙口最大单宽流量为18.58～19.43 m3/（s·m）；最大单宽功率为94.66～110.45（t·m/s·m）；截流最终落差为3.26～3.58 m。

B 工况截流最困难龙口宽度在20.7 m 附近出现，表3 对比了两种工况截流最困难宽度时对应的龙口水力参数。

表3 截流困难区段龙口水力参数对比表Tab.3 Hydraulic parameters comparison of difficult section of river closure

通过上表对两种工况截流最困难区段龙口水力参数的对比分析可以看出，截流流量从751 m3/s 增加到964 m3/s 后，各项水力参数都相应变大。其中戗堤落差增大了0.57～0.76 m，龙口平均流速增大了1.52～1.85 m/s，龙口平均单宽功率增大了132.06～209.31 t·m/s·m。从单宽功率指标分析，虽然截流流量增加的不多，却引起了截流难度的明显增加。

3.3 B工况截流数值计算成果

对B 工况隧洞进口3 m 岩埂工况下各个龙口宽度的水力参数进行了数值模拟计算。典型龙口宽度的整体流态及与模型试验流态对比如图2、3 所示，数值计算结果与模型试验数据对比如表4所示。

表4 B工况数值计算与模型试验水力参数对比表（3 m岩埂）Tab.4 Comparison of hydraulic parameters between numerical calculation and model test in B test case（height of residual rock 3 m）

图2 B工况整体流态图（流量751 m3/s，龙口宽28.8 m，3 m岩埂）Fig.2 Flow pattern of test case B（discharge 751 m3/s，width of closure gap 28.8 m，height of residual rock 3 m）

由图3可以看出，戗堤下游主流偏向右岸，与河床左岸之间形成回流，回流流速较小。数值计算流态与物理模型试验流态极其相似。

图3 B工况龙口流态对比图（流量751 m3/s，龙口宽28.8 m，3 m岩埂）Fig.3 Comparison of flow pattern in test case B（discharge 751 m3/s，width of closure gap 28.8 m，height of residual rock 3 m）

通过表3 典型龙口宽度的龙口处水力参数对比可知，戗堤落差最大相差0.12 m，龙口分流量最大相差17.34 m3/s，龙口水深最大相差0.32 m，龙口平均流速最大相差0.33 m/s。数值计算成果与物理模型试验实测数据整体差别较小，两者数据吻合度较高，差值都在容许误差范围之内，说明能采用上述数值模拟方法计算截流水力参数。

3.4 推荐截流方案

结合以上工况的截流模型试验、数值计算成果及水力参数指标，综合考虑目前国内水电工程截流实践，11 月上旬流量751 m3/s 工况下截流难度适中，推荐11 月上旬单戗堤立堵截流方案。该流量下，戗堤轴线断面最大平均流速4.45 m/s；戗堤头部最大垂线平均流速4.49 m/s；最大落差3.58 m；最大单宽功率110.45 t·m/s·m；困难区段在龙口宽度30～20.0 m 之间，最大水深8.94 m。抛投采用25T 自卸汽车，抛投强度为400～550 m3/h左右。抛投材料粒径为0.06～0.30 m 及0.60～0.80 m，备料量2.18 万m3（考虑1.1 的备料系数），整个合龙过程中有部分石渣料流失，所需最大抛投材料粒径为0.80 m，数量0.4 万m3；若大块石开采有困难时，也可制作石笼（铅丝石笼或钢筋石笼）以取代部分大块石。

4 现场截流成果分析

4.1 截流前数值模拟

由于现场相关项目施工进度提前，TB 水电站计划提前至10月下旬截流。但现场测试发现导流洞进口围堰拆除时，进口残留岩埂高度约为10 m，远高于预计高度，导致隧洞分流条件急剧降低。加上实际施工工期临近，河床地形及堆渣条件发生了较大变化，故采用Flow-3D软件预先进行数值模拟分析，为实际截流施工提供相关数据参考。根据实际截流前的水文条件，数值模拟主要考虑计算上游电站机组满发流量及实际截流前区间流量1 000 m3/s、上游电站单机满发流量及实际截流前区间流量550 m3/s 的情况。隧洞进口岩埂高度10 m，戗堤上下游河床按照实际堆渣地形模拟。

不同工况下的水流流态如图4、5所示。各工况截流最困难区段的落差z、最大平均流速v、最大单宽功率n及相应所需最大抛投粒径d［9］与模型试验A工况对应数据比较如图6所示。

由图4、5可以看出，同一龙口宽度时，两种工况流态特性相似，戗堤上下游水位变化明显，龙口后主流偏向右岸，水流在戗堤后与左右岸之间相继形成回流区，回流流速较小。

图4 龙口宽度B=35 m时整体流态图（流量550 m3/s；10 m岩埂）Fig.4 Flow pattern with closure gap width B=35 m（discharge 550 m3/s，height of residual rock 10 m）

由图6截流流量1 000 m3/s和964 m3/s下不同岩埂高度时的龙口水力参数对比中可以看出，10 m 岩埂工况龙口处的水力参数远大于3 m 岩埂工况时的水力参数，所需最大抛投材料粒径分别为1.5 m 和0.75 m。导流洞进口前10 m 岩埂对导流洞分流产生了较大影响，提高了戗堤上游水位，使龙口各项水力参数都相应增大，从而大大提高了截流难度。

截流流量对截流难度的影响是不言而喻的。通过图6 中550 m3/s 和1 000 m3/s 两种工况时龙口处水力参数对比可以看出，流量为550 m3/s 工况龙口水力参数明显小于流量为1 000 m3/s工况的龙口水力参数，所需最大抛投材料粒径也有0.7 m之差。在导流隧洞前岩埂较高、分流差的现场条件下，若能控制上级电站泄流、减小来流量是降低截流难度的有效措施。虽说TB水电站与上级电站属于同一流域梯级公司，但由于上级电站需要保证最低日发电效益，不能完全停机不泄流。经协商上级电站在截流期间下泄单机满发流量。考虑实际截流前区间流量，结合模型试验及数值模拟分析，总来流量550 m3/s作为实际截流流量是合适的。

图5 龙口宽度B=28 m时龙口局部流态图（10 m岩埂）Fig.5 Local flow pattern with closure gap width B=28 m（height of residual rock is 10 m）

图6 截流最困难区段龙口水力参数对比图Fig.6 Hydraulic parameters comparison of the most difficult section of river closure

4.2 截流现场实测数据分析

该工程最终在2021 年10 月25 日进行了截流预进占（流量1 000 m3/s），26日顺利完成了截流施工（截流流量550 m3/s）。实际截流施工过程中，也进行了现场截流水力参数的测试记录。相近龙口宽度时数值计算与实际截流的龙口水力参数对比如表5所示。

（1）通过表5的参数对比分析结果可以看出，数值模拟结果与实测结果十分接近，戗堤落差差别在0.02～0.26 m，隧洞分流比差别在0.85%～6.57%，龙口平均流速差别在0.22～0.47 m/s，龙口单宽功率差别在44～160 t·m/s·m。数值模拟对截流施工提供了有效的数据参考。

表5 龙口特征水力参数对比表Tab.5 Hydraulic parameters comparison of the closure gap

（2）在实际截流过程中，截流抛投强度为11～15 m3/min（原型），平均400～500 m3/h（原型），即为25 t 自卸汽车每分钟抛投强度为0.3～0.4车，历时4 h顺利截流。

（3）河床地形及堆渣情况也对截流难度有一定的影响。下游河床形成堆渣，戗堤后水位较高，形成龙口处较小的上下游落差，降低了截流施工难度。虽说河床堆渣可以部分降低截流难度，但堆渣进入河床后增加了后续基坑开挖工程量，影响其工期，进而影响到主体建筑物的施工。因此，尽量控制坝肩开挖落渣，不允许其进入河床，同时可在戗堤下游龙口范围内适当堆渣，降低龙口处水流落差，从而降低截流难度。