大型水利水電工程施工水力控制及災(zāi)害預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)

(長江科學(xué)院 a.水力學(xué)研究所; b.水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢　430010)

1　研究背景

20世紀(jì)80年代，我國水能資源利用的重點向西部山區(qū)轉(zhuǎn)移，一些大型水利水電工程因布置受限，多采用了隧洞導(dǎo)流，一般具有“河谷狹窄、河道縱坡大、覆蓋層深厚、滑坡體密集”等地形地質(zhì)特征和“規(guī)模大、運行條件復(fù)雜、梯級同時在建”等工程特點，加之河道兩岸大規(guī)模滑坡體密集(金沙江下游平均每1.97 km河段就有一個大型滑坡體)和施工期大水位變幅極易誘發(fā)滑坡涌浪及潰堰災(zāi)害，加大了其施工水力控制和災(zāi)害風(fēng)險控制的技術(shù)難度和復(fù)雜性。施工期水力控制及災(zāi)害減免出現(xiàn)諸多尚待解決的新問題，如：梯級同時在建條件下的導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險控制、陡坡隧洞易形成明滿交替流等不良水力特性危及隧洞安全；深厚覆蓋層河床條件下的度汛安全及減輕截流難度新技術(shù),以及滑坡涌浪及潰堰災(zāi)害減免等，其關(guān)鍵技術(shù)問題的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和難度達到世界最高水平，以往相關(guān)理論、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、方法等難以滿足西部山區(qū)復(fù)雜條件下施工導(dǎo)截流工程的安全性和經(jīng)濟性要求，亟待創(chuàng)新和發(fā)展。因此，開展大型水利水電工程施工水力控制及災(zāi)害預(yù)測控制關(guān)鍵技術(shù)研究對于推動相關(guān)學(xué)科發(fā)展、加快水利水電行業(yè)科技進步具有重大作用。

2　技術(shù)路線及總體設(shè)想

本文針對我國西部山區(qū)大型梯級水利水電工程呈現(xiàn)出的新特點，以安全經(jīng)濟、防災(zāi)減災(zāi)為宗旨，以水電開發(fā)戰(zhàn)略和市場需求為導(dǎo)向，緊密結(jié)合烏東德、白鶴灘等工程實際，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，圍繞導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險控制、導(dǎo)流水力控制、截流水力控制、災(zāi)害減免控制4大方面的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)難題開展了系統(tǒng)研究和創(chuàng)新。具體分解為12個關(guān)鍵技術(shù)問題，各關(guān)鍵技術(shù)問題對導(dǎo)截流的影響以及相關(guān)關(guān)系如圖1所示。

圖1　導(dǎo)截流水力控制及災(zāi)害預(yù)測控制研究技術(shù)路線

3　導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選及風(fēng)險控制技術(shù)

3.1　多梯級同時在建條件下導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險評估及標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選技術(shù)

3.1.1存在的問題

山區(qū)隧洞導(dǎo)流存在梯級同時在建情況，這增加了施工過程的洪水控制和施工導(dǎo)流的動態(tài)特性在時空上的多屬性和不確定性，其系統(tǒng)風(fēng)險因素和特征較單一電站建設(shè)環(huán)境差異大、復(fù)雜度高，如何協(xié)調(diào)好這類導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的安全性和經(jīng)濟性，已成為制約導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險控制和優(yōu)選的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

3.1.2創(chuàng)新成果

提出了適合山區(qū)隧洞導(dǎo)流系統(tǒng)風(fēng)險特點的標(biāo)準(zhǔn)選取依據(jù)與原則；提出了考慮上游梯級、上游支流、河段區(qū)間、在建工程、下游工程等多個影響主體的山區(qū)施工導(dǎo)流風(fēng)險因素及其定量化方法，提出了基于洪水系統(tǒng)傳遞機制的梯級導(dǎo)流風(fēng)險因素耦合方法[1]；改進了Monte-Carlo測度方法[2]，解決了導(dǎo)流風(fēng)險不確定性分布差異較大、非線性強以及耦合過程復(fù)雜等難題；建立了基于上游控泄的風(fēng)險控制與轉(zhuǎn)移費用分析方法，在減少導(dǎo)流系統(tǒng)確定型費用的同時控制不確定型費用，達到優(yōu)化導(dǎo)流方案的目的；提出了基于導(dǎo)流系統(tǒng)失效次數(shù)的風(fēng)險配置方法及其優(yōu)化策略，建立了梯級在建條件下的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險決策模型[3-4]。

以白鶴灘工程為例：應(yīng)用一般施工導(dǎo)流風(fēng)險評價和導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選取方法，僅考慮壩址洪水水文不確定性因素的條件下，30 a一遇上游水位為650.6 m，而考慮梯級建設(shè)影響可提高重現(xiàn)期約14%，說明一般方法風(fēng)險偏高；當(dāng)洪水標(biāo)準(zhǔn)較高時，兩者差別較小。因此，考慮梯級工程同時在建影響因素，可使導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)更接近于施工實際，更好地協(xié)調(diào)導(dǎo)流安全性和經(jīng)濟性。

3.2　基于水文實時監(jiān)測預(yù)報的截流風(fēng)險決策技術(shù)

3.2.1存在的問題

截流是整個施工導(dǎo)流工程中關(guān)鍵而又復(fù)雜的工序之一，其成敗不僅直接關(guān)系到工程能否按計劃完成，而且將關(guān)系到整個工程的全局。受來流的隨機性、分流建筑物分流能力和施工工期的不確定性等多重因素的影響，截流標(biāo)準(zhǔn)與施工實踐存在較大偏差，如何把握截流時機，協(xié)調(diào)截流的經(jīng)濟性、技術(shù)性及風(fēng)險性之間的關(guān)系已成為制約截流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險控制的重大技術(shù)難題[5-6]。

3.2.2創(chuàng)新成果

結(jié)合近期截流時段的實測洪水資料分析截流洪水不確定性特征，應(yīng)用非平穩(wěn)一階自回歸過程模型模擬截流洪水過程，建立截流施工洪水過程模型，彌補了經(jīng)驗推求和頻率曲線外延的不足。解析了截流施工工期不確定性，建立了截流工期風(fēng)險模型。應(yīng)用蒙特卡羅方法耦合了截流流量風(fēng)險模型、截流工期風(fēng)險模型和截流施工洪水過程模型，建立了河道截流風(fēng)險估計模型，統(tǒng)計了流量指標(biāo)的截流風(fēng)險系列，揭示了截流流量與截流風(fēng)險的關(guān)系。建立了包括施工、水文、水力等截流風(fēng)險決策指標(biāo)體系及其風(fēng)險率計算方法。集成提出了基于水文實時監(jiān)測預(yù)報的截流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險決策模型，充分反映了截流施工的短期性、時機靈活性等特點，解決了現(xiàn)行施工組織設(shè)計規(guī)范規(guī)定的截流標(biāo)準(zhǔn)與施工實踐偏差較大的難題[7-8]。

圖2　截流流量對應(yīng)的保證率

以某工程截流為例：按現(xiàn)行規(guī)范評估，11月上旬平均10 a一遇截流流量16 300 m3/s，對應(yīng)的截流保證率為98.62%(圖2中p點)；而10 a一遇、10%風(fēng)險、90%保證率水平對應(yīng)的截流流量為14 611 m3/s(圖2中q點)，降低10 a一遇截流流量10%。基于實測洪水分析的河道截流風(fēng)險評估模型與洪水頻率分析方法在相同標(biāo)準(zhǔn)下的流量較低，更接近目前大部分截流工程實踐。

4　導(dǎo)流水力控制技術(shù)

4.1　陡坡隧洞導(dǎo)流水力控制技術(shù)

4.1.1存在的問題

隧洞陡坡易產(chǎn)生明滿交替流、大水位變幅易形成吸氣漩渦、長隧洞易形成大范圍負(fù)壓等不良水力特性危及隧洞運行安全。

4.1.2陡坡隧洞成因及機制

(1)明滿交替流成因及機制：先決條件是洞內(nèi)是否形成C2型曲線并封閉洞頂；內(nèi)部條件是被封閉的氣囊會受其他因素影響發(fā)生迅速膨脹壓縮變形；外部條件是進口漩渦吸氣、門井吸氣、洞頂負(fù)壓等造成導(dǎo)流洞出口頂部無足夠進排氣面積致使導(dǎo)流洞進排氣不暢。上述條件同時作用產(chǎn)生明滿流現(xiàn)象。

(2)進口漩渦成因及消渦機制：進口漩渦關(guān)鍵因素為臨界淹沒水深Hk和進口流場。淹沒水深影響表面環(huán)流和點匯流速,當(dāng)HH>Hk下時(Hk上為臨界淹沒水深上限)，產(chǎn)生表面環(huán)流，引起表面旋轉(zhuǎn)流動直接造成漩渦，在點匯流動作用下呈螺旋形流入洞口；當(dāng)H>Hk上時，表面流體受點匯流動影響極弱，將不會流向洞口，漩渦將會消失。進口流場水流紊動和表面旋轉(zhuǎn)流動會導(dǎo)致漩渦產(chǎn)生[9]。

(3)大范圍負(fù)壓成因及增壓機制：當(dāng)洞頂壓坡線低于洞頂高程時便出現(xiàn)負(fù)壓，直至洞頂負(fù)壓達到最大值；接近出口處主流偏底部，上部流速漸減,壓力漸增，直至發(fā)展至出口大氣壓力為止。

(4)上述三者相互作用機制：物理模型及陡坡隧洞數(shù)值模擬研究表明，隧洞底坡較陡是產(chǎn)生明滿交替流的最主要因素，進口漩渦、洞頂大范圍負(fù)壓等并非洞內(nèi)明滿交替流產(chǎn)生的根本原因。進口漩渦吸氣、洞頂負(fù)壓造成閘門井吸氣均擴大了明滿交替流流量區(qū)間；明滿交替流及吸氣漩渦使洞頂負(fù)壓值隨底坡增大呈現(xiàn)負(fù)壓增大且不穩(wěn)定狀態(tài)，洞頂長期處于交變負(fù)荷作用下,危及隧洞運行安全。

4.1.3導(dǎo)流隧洞運行安全復(fù)合式水力控制技術(shù)

(1)進口消渦：隔流浮堤通過調(diào)整其布設(shè)位置、角度、長度和吃水深度可有效阻隔消弱表面環(huán)流，實現(xiàn)消渦目的，在金沙江塔城導(dǎo)流洞中得到設(shè)計應(yīng)用。隔流浮堤可自適應(yīng)40 m以上大水位變幅，靈活性、適用性強；可將直徑8～10 m大尺度貫通式吸氣旋渦消減為表面凹陷不吸氣旋渦。

(2)進口體型優(yōu)化：銳緣進口可避免明滿流交替流發(fā)生，應(yīng)用于苗木河(底坡7.5%)設(shè)計；橢圓曲線優(yōu)化可縮小明滿流交替流量區(qū)間，在沐若水電站(底坡2.87%)得到應(yīng)用，可將明滿流交替流量區(qū)間縮小80%；將洞頂負(fù)壓控制在-3 m水柱以內(nèi)[10]。

(3)出口壓坡：通過調(diào)整坡比與出口斷面收縮比，有效協(xié)調(diào)了泄流能力與大范圍負(fù)壓的矛盾，減免了空化空蝕危害。

(4)技術(shù)集成：經(jīng)烏東德、白鶴灘、水布埡、構(gòu)皮灘、塔城、沐若和苗木河等工程應(yīng)用，效果良好。

4.2　覆蓋層河床鋼筋籠柔性毯防護新技術(shù)

4.2.1存在的問題

導(dǎo)流隧洞出口下游側(cè)向出流及覆蓋層低抗沖刷能力導(dǎo)致下游岸坡被沖刷破壞失穩(wěn)。

4.2.2創(chuàng)新成果

首次提出深厚覆蓋層河床防護新技術(shù)——鋼筋籠柔性毯，解決了河床深厚覆蓋層抗沖能力差、周圍建筑物及邊坡易失穩(wěn)等技術(shù)難題，確保了導(dǎo)流建筑物及下游岸坡安全。

(1)技術(shù)原理：通過鏈接咬合，利用鋼筋籠柔性毯的整體性、應(yīng)變相容性以及低流速區(qū)塊體對高流速區(qū)塊體的牽制，解決了深厚覆蓋層河床防護問題。

(2)性能指標(biāo)：經(jīng)濟實用，鋼筋石籠流失率低于5%，沖刷深度減少60%；沖刷范圍減少70%；節(jié)省成本20%，明顯優(yōu)于特大塊石和單體鋼筋石籠防護。

(3)原型驗證：經(jīng)2015年9月份在烏東德導(dǎo)流洞泄洪中檢驗，防護效果良好。

4.3　過水圍堰堰面分級整流防護新技術(shù)

4.3.1存在的問題

常用圍堰斷面堰頂多為單一水平線，過堰水流經(jīng)過堰頂流態(tài)類似于寬頂堰流，流速會沿程逐漸增加，堰頂尾部為最大流速區(qū)域，在該區(qū)域易沖刷形成潰口。在防護上存在單寬流量大、最不利工況不易確定等問題；圍堰上下游落差大，出流形態(tài)復(fù)雜；覆蓋層深厚，圍堰下坡腳淘刷，堰體易失穩(wěn)。

4.3.2創(chuàng)新成果

創(chuàng)新性地提出了過水圍堰分級整流新技術(shù)，解決了大流量、深厚覆蓋層條件下圍堰度汛安全難題。

(1)分級整流技術(shù)原理：通過堰面分級整流(布置見圖3)，實現(xiàn)了逐級消能、分區(qū)防護、減少沖刷的目的，揭示了高低平臺級差與上下游水位、消能率的關(guān)系，解決了過水圍堰度汛安全難題。

圖3　堰體分級整流橫斷面

(2)性能指標(biāo)：通過烏東德模型試驗，很快確定了不利工況流量Q為18 500 m3/s和23 600 m3/s，流態(tài)、流速分布優(yōu)于常規(guī)堰體。最大流速降低25%，節(jié)省投資20%，堰體重點防護部位面積減少40%，下游覆蓋層防護面積減少30%。

(3)實施效果：經(jīng)2015年9月份烏東德過水圍堰安全度汛原型檢驗，堰體防護良好。

5　截流水力控制技術(shù)

5.1　天然截流塊體穩(wěn)定實用計算公式

5.1.1存在的問題

經(jīng)典截流塊體穩(wěn)定計算公式中的穩(wěn)定系數(shù)K值采用定常系數(shù)，與實際偏差較大。

5.1.2創(chuàng)新成果

截流塊體穩(wěn)定經(jīng)典計算公式未計及水深H、垂線流速系數(shù)α、相對糙度Δ/D、繞流系數(shù)ξ等影響因素,因而與實際存在較大差異。通過理論分析和系列模型試驗，提出了考慮上述影響因素的適用于平堵和立堵截流不同階段、不同堤頭形態(tài)的截流塊體穩(wěn)定實用計算表達式，完善了截流塊體穩(wěn)定理論，彌補了經(jīng)典計算公式的不足[11]。

這里僅列舉立堵截流連續(xù)拋投進占情況如下。

緊湊斷面：

(1)

擴展斷面:

(2)

成舌根時:

(3)

式中：V為流速；H為水深；D為拋投料粒徑；Δ/D為相對糙度；g為重力加速度；γs，γ分別為拋投料和水的重度。

實用計算公式與同類公式比較如下所述。

(1)計算參數(shù)：考慮了水深、流速分布、河床糙度、繞流系數(shù)的影響，較同類截流塊體穩(wěn)定算法復(fù)雜。

(2)計算精度：截流困難段與傳統(tǒng)經(jīng)典算法差異不大；非龍口段，經(jīng)典算法與實際誤差較大，本計算公式與實際十分接近。

(3)實施效果：應(yīng)用于白鶴灘、烏東德等工程截流備料設(shè)計，流失率較小，安全性、經(jīng)濟性均優(yōu)于同類算法。

5.2　六面體鋼筋籠實用計算公式

5.2.1存在的問題

鋼筋籠具有透水性，整體穩(wěn)定性好，可利用當(dāng)?shù)厥?，但一直缺乏穩(wěn)定計算方法。

5.2.2創(chuàng)新成果

提出了考慮其形狀因素、河床糙度因素的六面體鋼筋籠止動流速和起動流速的計算公式[12]，具有較高的計算精度和實用性，填補了鋼筋石籠無穩(wěn)定計算公式的空白。止動流速和起動流速分別為：

(4)

(5)

經(jīng)工程驗證，采用本計算公式的止動流速和起動流速計算值與實際值誤差很小。

5.3　覆蓋層條件下高穩(wěn)定性截流塊體結(jié)構(gòu)研發(fā)

5.3.1存在的問題

相同質(zhì)量截流塊體，在有覆蓋層時，其穩(wěn)定性主要取決于覆蓋層自身的穩(wěn)定性，其次取決于塊體形狀的適應(yīng)性。為滿足深厚覆蓋層條件下安全經(jīng)濟截流的要求，需研發(fā)適應(yīng)性較高的新型塊體結(jié)構(gòu)。

5.3.2創(chuàng)新成果

發(fā)明了內(nèi)附透水性反濾土工膜的四面體鋼筋籠和圓柱線體2種新型高穩(wěn)定截流材料，滿足了深厚覆蓋層河床安全經(jīng)濟截流需求[13]。

(1)內(nèi)附透水性反濾土工膜的四面體鋼筋籠：充分利用四面體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及對覆蓋層的適應(yīng)性、鋼筋籠的透水性和經(jīng)濟性，同時采用透水反濾土工膜防止細(xì)粒料流出。其止動穩(wěn)定系數(shù)均值為0.86(正六面體為0.69)，用于截流拋投止動，穩(wěn)定性高于相同質(zhì)量正六面體鋼筋籠25%。

(2)圓柱線形體[14]：圓柱形易于在坡面上滾動到底部，空心圓柱線體的透水性可減小截流龍口的落差和流速，降低截流難度。用于截流困難段拋投，易滾動到底，流失率20%,顯著優(yōu)于四面體和鋼網(wǎng)石籠等；空心管就位后，可增大分流比，減小龍口流速。其適用性強，已部分應(yīng)用。

5.4　“水下寬戧堤”降低截流難度新技術(shù)

5.4.1存在的問題

在河床覆蓋層深厚、河道縱坡大且龍口流速、落差均很大的條件下截流，以往明渠截流降低截流難度的技術(shù)，如雙戧截流、平拋墊底、攔石坎等，效果較差，難以滿足安全經(jīng)濟截流要求。

5.4.2創(chuàng)新成果

創(chuàng)新性地提出了“水下寬戧堤”降低截流難度新技術(shù)，實現(xiàn)了“覆蓋層深厚、河道縱坡大”條件下的安全、經(jīng)濟截流[15]。

(1)技術(shù)原理：基于流失形成的舌狀體平臺可增大摩阻、分散落差、擴散降速的技術(shù)原理，在舌狀體平臺為圍堰一部分時，安全經(jīng)濟地降低了截流難度。

(2)性能指標(biāo)：與寬戧堤方案相比，可大幅減少特大塊石用量，縮短截流時間。瀑布溝截流應(yīng)用表明,在不進行護底加糙、落差接近5 m、截流流速>8 m/s的條件下，可順利實現(xiàn)截流。在“深厚覆蓋層、大河道比降”條件下截流適用性明顯優(yōu)于同類技術(shù)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

6　施工期滑坡涌浪、潰堰災(zāi)害預(yù)測控制技術(shù)

6.1　施工期滑坡涌浪致災(zāi)機理及預(yù)測控制技術(shù)

6.1.1存在的問題

西部山區(qū)河道兩岸大規(guī)模滑坡體密集，金沙江下游平均每1.97 km河段就有一個大型滑坡體。隧洞導(dǎo)流汛期水位變幅大且不可控，易誘發(fā)山體滑坡，形成巨大涌浪，涌浪沿程傳播惡化航運條件、危及船舶安全，同時在兩岸形成爬坡，危及岸上建筑物與居民的安全。

6.1.2創(chuàng)新成果

揭示了西部山區(qū)水電工程建設(shè)中大水位變幅條件下滑坡涌浪的形成機理；首次提出了滑坡涌浪過程中第二次涌浪為首浪的觀點。

(1)滑坡涌浪形成機理及首浪新觀點:高陡岸坡滑坡體失穩(wěn)下滑過程中，其勢能依次轉(zhuǎn)化為滑坡體動能、受納水體勢能與動能、涌浪波能?；麦w入水過程中與水體相互作用，小部分滑體動能變?yōu)樗w動能，而大部分變?yōu)樗w勢能，其入水區(qū)形成的空腔是受納水體儲存勢能的外在表現(xiàn)形式，是涌浪形成的核心環(huán)節(jié)；滑坡體完成滑動后，空腔坍塌將其儲存的勢能轉(zhuǎn)化為波能，最終形成攜帶巨大能量的首浪[16]。

(2)首浪高度的影響因子及其權(quán)重:①整體滑坡體對首浪高度有顯著影響的因素依次為滑坡體寬度、受納水深、入水速度、滑坡體長度、滑坡體厚度; ②散體滑坡體對首浪高度有顯著影響的因素依次為滑坡體體積、滑動面傾角、散體粒徑、受納水深、入水速度;③首浪高度隨受納水深增大而減小，隨其他因素的增大而增大,滑動面傾角與對岸坡角對首浪高度的影響甚微，可不予考慮。

(3)首浪高度預(yù)測公式[17]:①整體滑坡體公式(6)中b/t表示滑坡體迎水面形狀系數(shù)；l/t表示滑坡體側(cè)面形狀系數(shù)；t/h表示滑坡體相對厚度。②散體滑坡體公式(7)中Vs/h3為滑坡體相對體積；d/h為滑坡體相對粒徑。

(6)

(7)

式中：H首浪為首浪高度；h為受納水深；u為入水速度;b,t,l分別為滑坡體的寬度、厚度、長度；Vs為滑坡體體積;d為滑坡體中值粒徑。

圖4　滑坡涌浪瞬時水面示意圖

基于二維淺水流方程，在動量方程源項中考慮滑坡體對水體的體積侵占效應(yīng)與動量作用，推導(dǎo)了滑坡體入水形成涌浪的水流運動控制方程，求解采用了基于有限體積法與TVD-MacCormack格式高分辨率數(shù)值離散技術(shù)，以保證模型的穩(wěn)定性、守恒性,構(gòu)建了滑坡涌浪形成及傳播過程數(shù)值模型，不同時刻滑坡涌浪瞬時水面見圖4。

6.2　土石圍堰潰決機理及預(yù)測控制技術(shù)

6.2.1存在的問題

絕大多數(shù)施工圍堰均為臨時建筑物，常采用土石為主體材料進行填筑，其抵御風(fēng)險的能力較弱，如果遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地質(zhì)災(zāi)害或其引起的次生洪水災(zāi)害、強烈地震、戰(zhàn)爭或恐怖襲擊破壞、上游大體積漂移物堵塞泄洪建筑物、設(shè)計與施工質(zhì)量及運行管理不當(dāng)?shù)蕊L(fēng)險，則可能漫頂或失穩(wěn)破壞而潰決，從而威脅施工及其下游沿程人民群眾生命財產(chǎn)安全。

6.2.2創(chuàng)新成果

揭示了全線漫頂沖蝕、逐層均勻沖蝕和陡坎瀑布狀水流沖蝕潰堰潰決機理，建立了高分辨率“堰體潰決-洪水演進”流固耦合數(shù)值模型[18-21]。

土石堰體潰口發(fā)展與堰型、幾何剖面形狀、填筑材料、級配和密實度等因素密切相關(guān)，垂向以水流沖蝕下切為主，橫向擴展以水流淘刷邊坡進而發(fā)生重力崩塌方式為主，潰口形態(tài)呈梯形或矩形，邊壁較陡近乎直立。

(1)逐層均勻沖蝕潰決方式:堰體沖蝕過程相對均勻，形成明顯的侵蝕溝，并不斷刷深展寬，使下游壩坡坡度不斷變緩，并逐層向堰體主體區(qū)域推進發(fā)展，堰體坡度愈加緩傾，潰口平面同步擴展，直至主體堰體沖蝕殆盡,見圖5。

圖5　潰口中心線沖蝕過程縱剖面

(2)陡坎潰決方式:堰體快速潰塌發(fā)生在大“陡坎瀑布狀水流”形成階段，水舌落點部位堰體受到?jīng)_刷后形成陡坎造成水流落差增大、沖刷能力加大，不斷淘蝕“陡坎”底部，兩側(cè)邊壁岸坡失穩(wěn)發(fā)生重力崩塌，崩塌持續(xù)向上游發(fā)展，上游的堰體潰口寬度加大，泄流量加大，堰體快速潰塌。

(3)潰決洪水演進數(shù)值類型:基于二維淺水流模型，研制了具有間斷波捕捉能力的數(shù)值離散格式，提出了與數(shù)值離散格式相匹配的基于單元屬性與界面屬性的動邊界處理技術(shù)，建立了基于有限體積法與TVD-MacCormack格式的堰體潰決-潰堰洪水演進相結(jié)合的數(shù)值模型,見圖6。

圖6　潰口區(qū)水面高分辨率模擬示意圖

7　實施效果

(1)基于梯級調(diào)蓄及實測徑流資料建立的復(fù)雜建設(shè)環(huán)境下的施工導(dǎo)、截流風(fēng)險估計方法，提出了梯級水庫調(diào)蓄下施工導(dǎo)流流量的選用準(zhǔn)則，形成的系列修訂建議已編入了《水利水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計規(guī)范》(SL 623—2013)，完善了我國現(xiàn)行導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)體系，成功推廣應(yīng)用于類似工程導(dǎo)流設(shè)計中。

(2)提出了“進口浮堤消渦+進口頂部體型優(yōu)化+出口壓坡”等復(fù)合式水力控制措施,并應(yīng)用于馬來西亞沐若水電站，有效減免了進口吸氣漩渦，將洞內(nèi)明滿流交替流量跨度由1 400 m3/s降至了300 m3/s，將洞頂負(fù)壓控制在-3.0×9.8 kPa以內(nèi)，解決了洞內(nèi)不良水力特性易產(chǎn)生隧洞空蝕振動破壞問題。

(3)“水下寬戧堤”減輕截流難度新技術(shù)成功應(yīng)用于大渡河瀑布溝工程截流，不進行護底加糙、落差接近5 m、截流流速>8 m/s條件下順利實現(xiàn)了安全經(jīng)濟截流,具有廣泛推廣應(yīng)用價值。

(4)研究提出的考慮相對水深、垂線流速系數(shù)、相對糙度、繞流系數(shù)因素的塊體穩(wěn)定實用計算公式及六面體鋼筋籠止動流速和起動流速公式,經(jīng)實踐驗證精度良好,對于截流備料設(shè)計、護岸工程防護設(shè)計具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

(5)研發(fā)的四面體鋼筋籠和圓柱線性體2類新型截流材料，對覆蓋層河床具有良好適應(yīng)性和穩(wěn)定性，在覆蓋層河床截流中應(yīng)用，效果良好。該產(chǎn)品可在類似截流工程中推廣應(yīng)用。

(6)過水圍堰分級整流技術(shù)，成功應(yīng)用于烏東德導(dǎo)流設(shè)計和實踐中，效果良好。

(7)鋼筋石籠柔性毯防護技術(shù)對于覆蓋層河床具有優(yōu)良的防護性能，成功應(yīng)用于烏東德防護設(shè)計。

(8)滑坡涌浪首浪理論及計算公式以及涌浪產(chǎn)生與傳播預(yù)測模型、土石圍堰潰決過程與洪水演進高分辨率模擬技術(shù)為施工期災(zāi)害減免和預(yù)警預(yù)報提供了科技支撐。

8　結(jié)　語

本文針對西部高山峽谷地區(qū)大型水利水電工程施工導(dǎo)截流過程存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，從導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險控制、導(dǎo)流水力控制、截流水力控制、災(zāi)害減免控制4個層面總結(jié)了幾十年來的相關(guān)研究成果，相關(guān)研究成果已應(yīng)用于烏東德、白鶴灘、沐若等多個國內(nèi)外工程，解決了導(dǎo)截流水力控制及災(zāi)害預(yù)測控制的關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了顯著的經(jīng)濟效益，社會環(huán)境效益顯著。