摘 要:本文基于笔者多年从事水工模型试验的相关工作经验,以某水电站截流水工模型试验为研究对象,论文首先给出了工程概况,进而设计了试验模型,在此基础上,笔者给出了截流试验方案,最后进行了试验成果的分析,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词:截流 水工模型 试验 龙口
中图分类号:TV7文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)11(c)-0069-02
1 工程概况
某水电站工程以发电为主,兼顾防洪、航运等功能。枢纽建筑物由多孔泄洪闸、电站厂房、升船机及开关站等组成。设计正常蓄水位217m,最大利用水头26.0m,坝顶高程229m,电站厂房布置6台贯流式机组,装机容量为45×6MW。工程规模属Ⅱ等大(2)型,主要建筑物为2级,次要建筑物为3级。
该坝平水期水面高程为193.0m～193.5m,水面宽度为165m～180m,最大水深7.2m。坝址以上控制流域面积49400km2,洪水多由暴雨形成,且集中在7、8、9三个月。坝址区实测最大洪峰流量31000m3/s(1983年),多年平均流量732m3/s,多年平均径流量239×108m3。
根据水电站坝址区地形、建筑物布置型式及洪水流量特点,施工导流设计采用河床分期分时段导流方式。二期左岸主河床截流,河水由右岸泄洪闸及升船机坝段过流。右岸泄洪闸底板高程为193.5m,高出原河床约3.5m,水电站截流设计为单戗堤进占,预留龙口宽度约50m,初步拟定截流合龙流量为Q=840m3/s、Q=1120m3/s、Q=1400m3/s。
2 水工模型设计
本试验采用正态整体局部动床导、截流模型,依据重力相似准则设计,按最大导流流量23100m3/s设计,选用几何比尺为1∶100的正态模型,可满足水流运动相似。截流试验与导流共用一个模型。模型上游河道试验范围包括坝轴线以上600m,坝轴线以下700m,全长1300m,其中动床部分为坝上0－350m至坝下0+350m,较好地保证了水流运动和围堰冲刷的相似性。模型水下地形及岸边采用等高线法用水泥砂浆塑制。模型泄洪闸及升船机等用有机玻璃制作,模型共设了6个水位测点,分别布设在上游右岸节点,坝轴线,戗堤上游侧,戗堤下游侧,下游左岸节点及模型尾水控制点。
3 试验方案
截流试验在左岸河槽进行。根据设计要求,截流试验流量分别为Q=840m3/s、Q=1120m3/s、Q=1400m3/s,后又增加了360m3/s和560m3/s两个截流工况。
3.1 截流龙口位置及龙口宽度
截流方式采用上游单戗堤立堵进占,即从河道左岸坡开始向河心纵向砼导墙进占,将龙口位置留在导墙一侧。截流戗堤轴线位于坝轴线上游0～102.1m处,紧靠二期上游围堰的背水侧,属上游围堰的组成部分。
设计戗堤断面为梯形,上、下游边坡均为1∶1.5,堤顶设计高程203.06m,顶宽为15m,长度为137.0m。参考同类工程的模型与原型实测资料,将截流戗堤的裹头坡度设为1∶1,加之右岸砼纵向大导墙坡比为1∶0.5,故龙口的上、下宽度是不相同的。试验拟定5组宽度,即顶/底宽度分别为:80m/60m、60m/40m、45m/25m、30m/10m直至形成三角形龙口20m/0m。
3.2 泄洪闸分流能力
河道截流时,泄洪闸必然分流,使河水一部分从左岸龙口宣泄,另一部分从右岸泄洪闸宣泄。为了确定各级流量下,上述两部分的过流能力,试验先封堵左岸主河槽,使河水全部由泄洪闸下泄,得到上游280.32m处泄洪闸水位～流量关系曲线。实际应用中,根据模型上游实测水位,先确定泄洪闸泄量,再从模型进口流量中扣除之便得到了左岸龙口的过流能力。截流未进占以前,试验先测量了各级流量下左岸束窄河段和右岸泄洪闸的分流能力及其流速。
试验得到,当来流为840、1120、1400m3/s时,右岸泄洪闸分流流量仅为91.0m3/s、164.9m3/s和325.0m3/s,只占总流量的10.6％ ～23.2％。由于泄洪闸底板高出左岸主河道平均高程3.5m,致使主河道流量居高不下,给截流合龙带来了困难。试验测量的束窄河段戗堤轴线及坝轴线处的平均流速1.50～1.60m/s,小于进占填料的抗冲流速,符合截流预进占工作的技术要求。
3.3 龙口护底
截流模型试验初期按动床设计截流龙口,在未护底的情况下,三级试验流量840m3/s、1120m3/s及1400m3/s截流时,龙口发生较严重的冲刷,冲坑均超过深10m以上,从另一方面证明了龙口护底存在的必要性。为了防止在预进占和合龙过程中水流冲刷龙口覆盖层而引起戗堤头部发生边坡坍塌,增大河床底部阻力,减少抛投物的流失量,龙口有必要护底。同时水电站工程做纵向砼导墙时,也做了保护砼导墙的基础防护的设计,具备截流时护底的条件。模型试验中用小沙袋模拟了铅丝笼护底。护底范围为截流戗堤轴线上30m,下40m,宽度40m(纵向砼导墙防护范围30m,草土围堰基础防护为10m),厚度1.5m。
4 结果分析
4.1 龙口水力要素
试验在三级流量840m3/s、1120m3/s、1400m3/s工况下,将龙口宽度预留成80m、60m、45m、30m和20m;在小流量360m3/s和560m3/s工况下,将龙口宽度预留成45m、30m和20m。流量和龙口宽度组合后,共得到29组试验工况,试验对每组工况分别观测了龙口流态、流速、上下游水位差、冲刷地形等水力要素。
4.2 龙口上下游流速
下游流速试验可知:当来流量小于1120m3/s时,龙口轴线的最大流速和平均流速随河道来流量的加大和龙口的缩窄而加大。最大流速出现在龙口的下轴线处,这是由于龙口上下游水面落差较大,最小水深出现在龙口的下坡脚处所致。当河道来流量为1400m3/s时,龙口合龙至20m宽度时的截流流速已达到7.55m/s,应引起设计注意。
4.3 截流河道龙口上下游水位差及龙口单宽功率
在不同流量下截流河段试验实测龙口上下游水位差及龙口单宽功率。测试得知,各级流量下河道左岸水面线变化过程基本相似。即在戗堤上、下游30m以外,所有水面线变化比较平缓;而在戗堤轴线上、下游各30m的范围内,水面线落差较大,达到了0.70m～4.40m,导流明渠右岸的水面变化在坝轴线上游比较平缓,进入泄洪闸时发生明显跌落,进而在闸室出口处与下游水面平顺衔接。同一龙口宽度,河道来流量越大,龙口上下游水位差也越大;同一流量下,随着龙口宽度的缩窄,上下游水位差继续增大,待合龙后水位达到最大值。
4.4 进占过程中合龙材料粒径试验
不同流量、不同龙口宽度所需要的合龙材料粒径是不相同的。模型试验选用4种抛投材料,其中1#料最细,4#料最粗。从试验得出,当龙口宽度为80m时,相应的水面宽度为66.6m～68.6m,试验截流流量为840m3/s、1120m3/s和1400m3/s流量,用1#料合龙未见石料流失,此时泄洪闸分流比较小,为18.2％～32.3％。待龙口束窄到60m时,相应水面宽度为46.9m～48.9m,840m3/s、1120m3/s流量1#料未见流失;1400m3/s流量时1#料已开始松动,改用2#料未见走失,此时泄洪闸分流比为28.9％～39.7％。龙口进占到45m宽度时,此时水面宽度为30.4～34.4m,除360m3/s外,其余560m3/s、840m3/s、1120m3/s和1400m3/s四个流量用2#料合龙石料已开始松动,此时泄洪闸分流比为29.4％～49.6％。当龙口继续束窄到40m～38m时,各级流量下2#石料已开始大量失稳被冲走,此时戗堤上下游的水位差上升较快,泄洪闸分流比增加很快,龙口流速同样增加较大,截流进入攻坚阶段。
龙口占到30m宽度时,水面宽度为16.2m ～21.8m,泄洪闸分流比已达60.0％～64.2％,戗堤上下游水位差进一步加大。上述五级流量下龙口轴线处平均流速为3.27～4.79m/s,龙口戗堤下坡脚线处的平均流速已达4.88m/s ～6.44m/s,截流进入更困难阶段,用3#料合龙未见石料流失。
龙口进占到最后20m宽度时,已经形成三角形断面,此时水面宽度为6.6m～10.7m,龙口轴线处平均流速为3.73～7.01m/s,龙口戗堤下坡脚线处的平均流速已达5.79 ～7.55m/s,右岸泄洪闸分流比达到76.5% ～82.1％,换用3#料和4#料封堵未见石料流失。合龙后,过水断面水深、流速及单宽流量突降为零,戗堤上下游最大水位落差为3.45m～4.40m。
5 结语
(1)该水电站截流由于右岸泄洪闸底板高程高出截流河床3.5m,其分流能力较差,致使截流难度增大。当龙口宽度为45m时,360m3/s～1400m3/s五个量级截流试验,泄洪闸分流比仅占29.4％～49.6％;之后随着龙口宽度的减小,泄洪闸分流比迅速增加,待20m龙口宽度时,分流比增加到76.5％～82.1％。
(2)在合龙过程中,模型实测龙口最大流速达到5.79m/s～7.55m/s,上下游最大水位差为3.00m～3.57m,最大单宽流量为24.27m2/s,最大水流功率为86.63(t·m)/(s·m)。合龙后的上下游水位差为3.45m～4.40m,这些指标远远高于同类工程,其截流难度应引起设计者的足够重视。
(3)模型试验表明,戗堤进占至龙口宽度在45m以前,用1#、2#细料抛投基本不流失;当龙口宽度减小到45m以后,龙口流速及上下游水位差剧增,必须改用3#钢筋笼、4#混凝土四面体抛投。
(4)从模型试验看出,合龙前必须对戗堤轴线进行抛石护底,同时应对进占堤做裹头防护,避免坍塌事故,截流合龙后,应尽快对戗堤进行加固处理。
参考文献
[1]韩阳,魏健波,刘丛.河道截流的试验与研究[J].科技资讯,2006(10).
[2]刘国卿.万安水利枢纽工程施工导流水工模型试验简介[J].科技创新导报,2003(3).