深厚覆蓋層河床截流問題探討
——以烏東德水電站截流模型試驗(yàn)研究為例

王智娟,周 赤,宛良朋,姜伯樂,魏紅艷

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，湖北 武漢 430010;2.中國三峽建設(shè)管理有限公司，湖北 宜昌 443100)

1 概 述

截流是水電站修建過程中的重要環(huán)節(jié)，在導(dǎo)流建筑物具備分流能力條件下，采用一定的方法攔斷原河床形成圍堰，在其保護(hù)下進(jìn)行大壩建設(shè)。目前最常用的方法是立堵截流，通過戧堤進(jìn)占逐步束窄河床,可雙向或單向進(jìn)占。戧堤進(jìn)占過程中，水下流態(tài)紊亂且不斷發(fā)生變化，拋投材料松散等不確定因素較多，特別是對于一些流量大、終落差高的河道截流時(shí)，具有較高的風(fēng)險(xiǎn)[1-5]。截流過程中戧堤是否穩(wěn)定是關(guān)系到施工人員與機(jī)械設(shè)備安全的重要問題。近些年來，隨著科技的進(jìn)步，交通和設(shè)備大幅改善、設(shè)計(jì)和施工人員經(jīng)驗(yàn)更加豐富、科研人員對各類拋投材料認(rèn)識及研發(fā)更加充分，以及水庫梯級調(diào)度流量調(diào)節(jié)等，都大大的提高了截流安全性[6-7]。

而對于在具有深厚覆蓋層無法清除且抗沖能力較差的河床進(jìn)行截流時(shí),問題會(huì)相對較為復(fù)雜。國家十一五科技支撐項(xiàng)目課題“深厚覆蓋層條件導(dǎo)截流及圍堰安全控制技術(shù)”對深厚覆蓋層河床截流進(jìn)行了較為全面的研究，項(xiàng)目通過分析不同類型覆蓋層的特點(diǎn)以及導(dǎo)截流存在的問題，通過理論分析和模型試驗(yàn)，對深厚覆蓋層條件下工程存在的覆蓋層穩(wěn)定性、覆蓋層防護(hù)、截流塊體穩(wěn)定計(jì)算以及淤積性覆蓋層河床預(yù)防戧堤坍塌措施等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了全面研究[2]。近些年來國內(nèi)外學(xué)者也對此進(jìn)行了大量的研究。以往研究和實(shí)踐表明：在深厚覆蓋層河床中實(shí)施截流，當(dāng)截流流量、落差、龍口流速均較大時(shí)，如保護(hù)措施不當(dāng)，會(huì)因覆蓋層抗沖能力小，在截流過程中形成沖刷性破壞、滲漏管涌性破壞，有時(shí)還會(huì)造成護(hù)底體系的自身穩(wěn)定破壞和戧堤多種形式的坍塌等，危及截流工程安全[8-10]。為了避免戧堤失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，在施工過程中首先在選擇龍口位置時(shí)需盡量避開河床V形深槽，對龍口進(jìn)行護(hù)底，采用抗沖能力較強(qiáng)的材料(如鋼筋鉛絲籠等)，足量拋投等[11-12]。

2 深厚覆蓋層河床截流幾個(gè)關(guān)鍵問題

借鑒以往研究成果,長江科學(xué)院水力學(xué)研究所開展了烏東德水電站截流一系列的模型試驗(yàn)研究。烏東德水電站工程具有截流流量大、落差大、龍口流速高、河床覆蓋層深厚(最厚處約70 m)等特點(diǎn)，截流難度較高。為了確保工程截流施工的安全性及經(jīng)濟(jì)性，確定截流龍口位置及寬度，選擇合理進(jìn)占方式、拋投材料、拋投強(qiáng)度，確定截流(閉氣后)終落差等，通過1∶100水工整體模型進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。模型試驗(yàn)根據(jù)抗沖流速相似選取模型沙,對河床覆蓋層進(jìn)行了模擬，形成動(dòng)床模型試驗(yàn)，其與常見定床條件下的截流關(guān)注因素有所增加，試驗(yàn)研究過程中也得到了一些新的研究成果。

2.1 龍口的確定及裹頭防護(hù)需考慮覆蓋層穩(wěn)定

在河床條件較好的河段進(jìn)行截流時(shí)，預(yù)留龍口寬度一般可由龍口段面平均流速和落差確定。龍口大小需要在合適的范圍內(nèi)，一般來講，預(yù)留龍口過大，龍口段進(jìn)占工程量大，增加了施工強(qiáng)度，不經(jīng)濟(jì)；而龍口過窄會(huì)導(dǎo)致龍口部位水力指標(biāo)過高，造成戧堤破壞甚至坍塌，不安全。而對于在深厚覆蓋層的河床上截流時(shí)，龍口寬度的確定還需考慮龍口部位河床及戧堤下游沖刷引起的戧堤失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[13]。預(yù)進(jìn)占過程中，隨著過流斷面不斷縮窄，底部覆蓋層穩(wěn)定性會(huì)逐漸變差，達(dá)到或超過抗沖流速后，底部沖刷會(huì)引起戧堤坡腳失穩(wěn)，坡面下滑，甚至引起戧堤局部坍塌，造成安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在深厚覆蓋層河床截流時(shí)，需要事先通過對龍口落差、流速及不同寬度下覆蓋層沖刷深度、范圍等進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)研究，方可確定合適的龍口寬度[14-15]。

通過計(jì)算不同束窄寬度時(shí)的泄流能力，可以得出平均流速、單寬流量等水力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而可以計(jì)算出拋投材料粒徑。龍口段口門為梯形或三角形斷面的寬頂堰，泄流能力按下式計(jì)算[7]：

(1)

(2)

式中：bcp為口門平均水面寬度;H0為計(jì)及行進(jìn)流速的上游水深;σn為淹沒系數(shù)，龍口口門為梯形過水?dāng)嗝鏁r(shí)，可查巴甫洛夫淹沒系數(shù)表；龍口口門為三角形斷面時(shí)，查別列津斯基淹沒系數(shù)表;m為流量系數(shù)。

其它水力學(xué)指標(biāo)計(jì)算如下：

龍口平均單寬流量：q=Q/bcp

(3)

龍口平均流速：

V=q/hp

(4)

龍口落差：

Z=H上-H下

(5)

對于深厚覆蓋層河床需計(jì)算河床沖刷深度，一般局部沖刷深度可按下式初步計(jì)算：

(6)

以烏東德水電站截流為例。該工程龍口寬度的確定要求在流量Q=12 600 m3/s時(shí)，口門區(qū)流速不大于4.0 m/s，落差不超過1.0 m。根據(jù)以上公式計(jì)算出口門寬度為120 m時(shí)，口門平均流速為3.41 m/s，落差0.86 m，沖刷深度為0 m。在口門寬度為110 m時(shí)，口門平均流速為3.71 m/s，落差1.01 m，沖刷深度為1.17 m。在口門寬度為100 m時(shí)，口門平均流速為4.1 m/s，落差1.18 m，沖刷深度為3.15 m。

在流量為Q=12 600 m3/s進(jìn)行模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中數(shù)據(jù)顯示，在水面寬度為120 m時(shí)，龍口流速和落差基本滿足要求，但是當(dāng)寬度減小為110 m時(shí)，流速和落差增加幅度不大，且考慮采用小石進(jìn)占穩(wěn)定性較好，斷面平均流速在4.0 m/s以內(nèi)，底部流速在2.5 m/s以下，底部覆蓋層未出現(xiàn)大面積松動(dòng)。繼續(xù)進(jìn)占至寬度為100 m時(shí)，龍口流速明顯增加4.57 m/s，落差陡增至1.6 m，底部覆蓋層有明顯松動(dòng)。故確定龍口寬度為110 m較為合適。因此，確定龍口寬度，需綜合考慮流量、落差、流速以及覆蓋層的穩(wěn)定。

表1 非龍口段不同口門寬度水力特征值(Q=12 600 m3/s)

進(jìn)一步對龍口進(jìn)行抗沖試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，戧堤的不穩(wěn)定一方面是由于底部覆蓋層被淘刷后導(dǎo)致坍塌，另一方面戧堤本身堤頭的沖刷也至關(guān)重要，且兩者之間會(huì)產(chǎn)生相互影響。截流龍口形成后，為防止兩側(cè)戧堤裹頭被沖刷，使戧堤變形，底部覆蓋層被淘刷，導(dǎo)致戧堤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定甚至坍塌，需要對戧堤裹頭進(jìn)行防護(hù)。

烏東德試驗(yàn)中在確定龍口寬度后進(jìn)行了裹頭防沖保護(hù)試驗(yàn)，試驗(yàn)對流量加大為12 600 m3/s時(shí)，裹頭不防護(hù)和防護(hù)兩種條件進(jìn)行了對比。

(1) 試驗(yàn)1：不防護(hù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖刷24 h后，兩邊裹頭上游角均出現(xiàn)松動(dòng)，堤頭形成一個(gè)斜角，上游迎水面沖走約長15 m，戧堤中心線處往下游基本沒有松動(dòng)。對兩側(cè)戧堤上游角采用中石進(jìn)行了防護(hù)，右側(cè)防護(hù)范圍為兩側(cè)上挑角上游迎水面長15 m，左側(cè)為20.0 m，寬度至中心線處，形成一個(gè)三角形。沖刷24 h后戧堤形態(tài)見圖1。

圖1 裹頭防沖保護(hù)形態(tài)變化過程圖(試驗(yàn)1)

(2) 試驗(yàn)2：有防護(hù)。參考試驗(yàn)1堤頭沖刷情況，在龍口達(dá)到120 m寬時(shí)兩側(cè)堤頭均采用中石進(jìn)占至110 m，直接形成防護(hù)。之后進(jìn)行防沖試驗(yàn)，沖刷24 h后，觀測裹頭防護(hù)效果。見圖2。

圖2 裹頭防沖保護(hù)形態(tài)變化過程圖(試驗(yàn)2)

直接在兩側(cè)堤頭全斷面采用5.0 m中石防護(hù)沖刷24 h后，堤頭防護(hù)完好，未松動(dòng)。戧堤內(nèi)覆蓋層沖刷深度約為5 m。下游河床處產(chǎn)生沖坑，沖刷深度與試驗(yàn)一相當(dāng)。由于戧堤下堤角少量覆蓋層被沖走，下堤角拋投物出現(xiàn)少量流失。但戧堤未見出現(xiàn)大面積坍塌現(xiàn)象，流失的中石在底部河床形成防護(hù)，起到保護(hù)作用。對比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的結(jié)果，試驗(yàn)2采用裹頭防護(hù)的方法不僅減小了流失量，而且防護(hù)的范圍較小并可達(dá)到更好的效果。因此，對裹頭進(jìn)行必要的防護(hù)是降低截流風(fēng)險(xiǎn)的必要措施。

2.2 截流困難段與危險(xiǎn)區(qū)域的判斷受覆蓋層因素影響

水流由上游區(qū)域進(jìn)入龍口范圍，水面束窄，流速急劇增大。由于戧堤上游角流速較高，且一般采用先進(jìn)占上游角，中部和尾部在上游角形成的挑流保護(hù)作用下跟進(jìn)的進(jìn)占方法，因此，對于無覆蓋層河床截流，戧堤上游角穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)最高，采用的拋投料粒徑一般略大于中部和尾部。但對于底部覆蓋層抗沖能力較差的河床截流，龍口部位的河床不穩(wěn)定易形成沖刷，并且隨著龍口寬度減小，沖刷深度會(huì)隨著流速和落差的增加不斷的增加。特別是龍口戧堤軸線以下部位，底部流速較高且水面下降較快，對覆蓋層沖刷加強(qiáng)，在戧堤內(nèi)及下游坡腳附近會(huì)形成一定范圍的沖坑，從而影響到戧堤下游面安全。因此，對于在抗沖能力較差的河床截流時(shí)，除了重視上游角穩(wěn)定性以外，更需要關(guān)注下游角穩(wěn)定。試驗(yàn)研究過程中，戧堤進(jìn)占采用從上游角先拋投，后部跟進(jìn)的方法，上游角粒徑大于中部，而在下游角進(jìn)占時(shí)，又適當(dāng)?shù)募哟罅藪佂恫牧狭?，并增加拋投量，使部分拋投物滾落至底部沖坑處對坡腳形成防護(hù)，從而保證下游坡腳穩(wěn)定。

另外，對于一般河床截流，形成三角形過水?dāng)嗝媲昂螅^水?dāng)嗝婷娣e小，單寬流量大，流速高，落差大，此時(shí)為截流最困難階段。而對于抗沖能力較差的深厚覆蓋層河床截流時(shí)，在戧堤進(jìn)占底部合攏形成三角形斷面之前，戧堤穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)最大。一方面底部合攏后，拋投料對底部覆蓋層形成了防護(hù)，不會(huì)有繼續(xù)下沖風(fēng)險(xiǎn)，另一方面底部合攏后，戧堤內(nèi)底部由于拋投料的存在使底高程增加，高程逐漸高于戧堤后部沖坑高程，水流出戧堤后形成面流，對戧堤后部河床形成保護(hù)。因此在形成三角形龍口段面后，底部相對穩(wěn)定。

在烏東德水電站截流試驗(yàn)研究中，基本方案條件下(流量7 280 m3/s，4條導(dǎo)流洞參與分流)在龍口形成三角形斷面前，龍口寬度80.0 m，龍口最大流速4.75 m/s，戧堤內(nèi)河床覆蓋層沖刷接近4 m，龍口下游出現(xiàn)沖坑，受此影響，戧堤下游堤頭坡腳降低，滾落的拋投料不斷填補(bǔ)沖坑，為了防止戧堤底部松動(dòng)，在拋投過程中對該部位進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注并加大了拋投量。如圖3所示。當(dāng)龍口形成三角形斷面后，如圖4所示，一方面拋投料對戧堤內(nèi)覆蓋層起到了護(hù)底作用，另一方面隨著底部拋投料的增加，底高程不斷增加，主流越來越靠近水面，形成類似于跌坎的體型，戧堤下游沖坑處底部流速很小，幾乎為零，從而對其后部覆蓋層形成了保護(hù)作用。

2.3 戧堤進(jìn)占量計(jì)算需考慮覆蓋層流失

圖3 底部合攏前

圖4 底部合攏后

圖5 戧堤進(jìn)占示意圖

則：

V=V1+V2

(7)

V1=(W1·ΔL+W2·ΔL+

(8)

(9)

進(jìn)占試驗(yàn)時(shí)拋投量統(tǒng)計(jì)基本相當(dāng)。

3 結(jié) 論

對于在抗沖能力較差且覆蓋層深厚的河床進(jìn)行截流的研究已經(jīng)有大量的成果，并有了一些失敗的教訓(xùn)和成功的經(jīng)驗(yàn)作為參考。但是，在烏東德截流試驗(yàn)研究的過程中，有了幾個(gè)不可忽視的新發(fā)現(xiàn)，本文對其做出了總結(jié)。截流過程中，無覆蓋層河床截流的經(jīng)驗(yàn)大多可以借鑒，但是覆蓋層的存在會(huì)導(dǎo)致截流進(jìn)占過程中一些因素發(fā)生變化。覆蓋層沖刷對戧堤穩(wěn)定的影響表現(xiàn)在多個(gè)環(huán)節(jié)，多個(gè)部位。比如文中研究所提到的截流龍口確定時(shí)，不僅需要考慮龍口流量、流速、落差等因素，需要關(guān)注底部沖刷穩(wěn)定情況；底部覆蓋層流失也是截流困難段判定的主要因素，當(dāng)?shù)撞亢蠑n后，拋投料對底部形成防護(hù)，則截流難度下降；截流過程中，受戧堤下游覆蓋層沖刷影響， 易引起戧堤堤頭下游角松動(dòng)垮塌，使拋投量和拋投進(jìn)占方式與無覆蓋層河床不同；最后，在計(jì)算拋投量時(shí)，為保證備料充分，由于底部沖刷引起的流失量一般不能忽略不計(jì)。