莫莫克水利樞紐工程施工截流模型試驗(yàn)

辛軍社

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

1 前言

莫莫克水利樞紐的地理位置在新疆提孜那甫河流域中游山區(qū)性河段,壩址在葉城縣柯克亞鄉(xiāng)境內(nèi),樞紐工程與流域下游的玉孜門勒克水文站直線距離37.64 km,與葉城縣的直線距離為103.96 km。樞紐工程壩址斷面所控制流域面積為0.45×104km2,工程兼具防洪、灌溉、養(yǎng)殖、發(fā)電、景觀等功能。庫址處流量均值為31.12 m3/s,年徑流量均值為8.94×108m3,水庫蓄水位正常值為1894 m,所對應(yīng)的庫容為8448×104m3,死水位1873 m,對應(yīng)庫容1806×104m3,調(diào)節(jié)庫容6642×104m3（泥沙淤積30 a后為5269×104m3）,電站裝機(jī)容量26 MW。

泄洪沖沙洞圍堰采用粘土心墻砂礫石圍堰,堰頂寬度為6.0 m,堰軸線長373.155 m,最大堰高5.5 m。堰體及堰基防滲采用黏土心墻防滲。泄洪沖沙洞出口圍堰典型斷面見圖1。該水利樞紐工程主要采用粘土截滲槽的基礎(chǔ)防滲形式,迎水面和背水面設(shè)計(jì)邊坡分別為1∶0.2和1∶1.5,迎水坡面及坡腳2 m范圍內(nèi)設(shè)置厚度0.5 m的格賓石籠防護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 泄洪沖沙洞出口圍堰典型斷面圖

莫莫克水利樞紐壩址處為大比降山區(qū)性河道,水流湍急且河道坡降大,存在較大的截流難度。因受到下游水庫回水的影響,壩址區(qū)河道所具有的天然屬性發(fā)生改變,水位壅高,流速減緩。莫莫克水利樞紐正是利用水庫回水進(jìn)行截流設(shè)計(jì)施工。莫莫克水利樞紐左岸的泄洪沖沙洞進(jìn)口處預(yù)留攔渣巖坎,上游水位在進(jìn)行龍口進(jìn)占施工的早期階段不高,泄洪沖沙洞由于分流條件不足,導(dǎo)致來水量全部從龍口斷面流過后滲入戧堤泄流。龍口段不斷束窄變化后水力增大,隨著戧堤上游水位的上升,最終超過泄洪沖沙洞進(jìn)口巖坎,此時(shí),泄洪沖沙洞才真正起到來水量分流作用?？紤]到本樞紐工程泄洪沖沙洞分流時(shí)段所處的階段,故提出在泄洪沖沙洞進(jìn)口巖坎設(shè)置一定深度的缺口,達(dá)到提前分流并降低龍口段水利指標(biāo)的目的。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)行莫莫克水利樞紐泄洪沖沙洞施工截流分析,采用正態(tài)動床截流模型[1],并根據(jù)重力相似準(zhǔn)則[2]使所構(gòu)建的試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜆屑~工程原型在幾何形態(tài)上相似,即按照比例尺將工程原型同比例縮小,以得出試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)尺寸；此外,試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸こ淘瓦€應(yīng)具備相同的動力形態(tài)及水流運(yùn)動形態(tài)。按1∶60確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸週,試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鞑牧现饕x用有機(jī)玻璃,模型單寬流量比尺Q、流速比尺V、時(shí)間比尺T和糙率比尺n分別按照1.5=456.625、0.5=7.467、0.5=7.467、1/6=1.855設(shè)計(jì)。結(jié)合莫莫克水利樞紐河道特征,參照樞紐泄洪沖沙洞上游至壩軸線以上800 m,下游至壩軸線以下1200 m的距離確定模型長度,并按照等高線法采用水泥砂漿塑制高程以下岸坡和水下地形。

按照單戧立堵的截流方式從莫莫克水利樞紐左岸向右岸進(jìn)占截流,為合理確定設(shè)計(jì)截流標(biāo)準(zhǔn)、可能的分流條件并進(jìn)行設(shè)計(jì)截流方案合理性的判斷,應(yīng)根據(jù)水利樞紐工程所在流域?qū)嶋H情況,以10月下旬~11月中旬為設(shè)計(jì)截流時(shí)段,并取10 月下旬785 m3/s,11月上旬710 m3/s,11月中旬635 m3/s的流量為截流試驗(yàn)過程中的平均流量。在莫莫克水利樞紐左岸設(shè)置兩條泄洪沖沙洞導(dǎo)流洞,并選擇單導(dǎo)流洞分流、雙導(dǎo)流洞分流兩種截流分流方式。為降低龍口水力指標(biāo),達(dá)到優(yōu)化分流的目的,還應(yīng)在左岸的泄洪沖沙洞進(jìn)口巖坎增設(shè)缺口,分別分析無缺口、30 m缺口、75 m缺口三種工況下分流效果?？紤]到本次針對莫莫克水利樞紐工程泄洪沖沙洞所進(jìn)行的截流試驗(yàn)主要目的在于分析和研究流域枯水期時(shí)段下游水位變化對截流過程的影響及可能引起的截流難度增加情況,為此,試驗(yàn)所設(shè)定的下游庫水位應(yīng)低于正常水位,結(jié)合水庫運(yùn)行實(shí)際,分別擬定1894 m（水庫正常蓄水位）、1891 m、1888 m三種水位進(jìn)行截流模型試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 截流時(shí)段的比較

當(dāng)10月下旬設(shè)計(jì)平均流量Q=785 m3/s時(shí),莫莫克水利樞紐左岸泄洪沖沙洞單導(dǎo)流洞截流分流方式和雙導(dǎo)流洞截流分流方式下,截流龍口流速均值最大分別達(dá)5.38 m/s和5.64 m/s。11月上旬流量均值Q=710 m3/s時(shí),莫莫克水利樞紐左岸泄洪沖沙洞單導(dǎo)流洞截流分流方式和雙導(dǎo)流洞截流分流方式下,截流龍口流速均值最大分別達(dá)5.27 m/s和5.32 m/s。11月中旬流量均值Q=635 m3/s時(shí),莫莫克水利樞紐左岸泄洪沖沙洞單導(dǎo)流洞截流分流方式和雙導(dǎo)流洞截流分流方式下,截流龍口流速均值最大分別達(dá)5.05 m/s和5.01 m/s。水力學(xué)指標(biāo)具體見表1。通過對截流試驗(yàn)結(jié)果的對比分析可以看出,按照所設(shè)計(jì)的截流流量,龍口水力學(xué)指標(biāo)均較為接近,僅從截流可靠性角度考慮,三種截流流量均具可行性,出于施工工期考慮,推薦使用10 月下旬流量均值Q=785 m3/s的設(shè)計(jì)結(jié)果。

表1 不同截流分流方式下龍口水力學(xué)參數(shù)

3.2 導(dǎo)流洞分流能力比較

在785 m3/s、710 m3/s、635 m3/s的截流試驗(yàn)設(shè)計(jì)流量下,比較分析單導(dǎo)流洞和雙導(dǎo)流洞兩種截流分流方式下泄洪沖砂洞及龍口水力學(xué)參數(shù)?？紤]到龍口進(jìn)占前期泄洪沖沙洞導(dǎo)流洞不過流的實(shí)際情況,在上述兩種截流分流工況下戧堤上游水位只有滿足臨界水位條件后才會產(chǎn)生分流流量,該臨界水位即為巖坎高程,也只有當(dāng)上游水位升高至淹沒泄洪沖沙洞導(dǎo)流洞進(jìn)口巖坎后,導(dǎo)流洞截流分流的作用才得以真正發(fā)揮。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)截流設(shè)計(jì)流量為785 m3/s、710 m3/s時(shí),臨界水位位于30 m~35 m的龍口寬度下,而截流設(shè)計(jì)流量為635 m3/s時(shí),臨界水位處于25 m~30 m的龍口寬度。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

通過比對同流量組內(nèi)不同截流分流方式的分流流量發(fā)現(xiàn),單導(dǎo)流洞截流分流和雙導(dǎo)流洞截流分流的差別主要體現(xiàn)在分流難度最大及以后時(shí)段,且雙導(dǎo)流洞截流分流效果略微優(yōu)于單導(dǎo)流洞分流。

3.3 截流難度的降低

按照正常截流分流設(shè)計(jì),龍口流速均值最大可達(dá)5.38 m/s,為降低截流難度,確保截流施工安全,應(yīng)采用在泄洪沖沙洞導(dǎo)流洞進(jìn)口巖坎增設(shè)缺口的方式,使上游水位降低、分流時(shí)段大大提前,從而達(dá)到截流難度降低的目的。結(jié)合對試驗(yàn)結(jié)果的分析可知,針對本水利樞紐泄洪沖砂導(dǎo)流洞進(jìn)口巖坎所采取的增設(shè)缺口的工程措施的確起到了提前截流困難時(shí)段及對龍口流速曲線削峰[3]的作用,將龍口處流速最大值從5.38 m/s降至5.01 m/s；將巖坎缺口寬度從25 m增大至60 m,在相同的分流時(shí)段下增加分流量,則流速最大值會從5.01 m/s降至4.86 m/s。

3.4 截流戧堤

結(jié)合截流模式試驗(yàn),當(dāng)試驗(yàn)流量在635 m3/s ~785 m3/s區(qū)間且上游戧堤閉氣后戧堤水位達(dá)到1891.45 m~1895.31 m,考慮堤頂安全超高,則堤頂高程滿足安全要求。在截流模型試驗(yàn)過程中也從未出現(xiàn)戧堤失穩(wěn),可見25 m的戧堤頂寬設(shè)計(jì)符合工程實(shí)際及安全施工的要求。截流模型試驗(yàn)中隨龍口進(jìn)占,戧堤上游坡腳處流速均值超出龍口流速均值,且坡腳處存在局部沖刷,所流失的堤壩材料堆積在戧堤下游,使下游局部水位升高,反而為截流進(jìn)占和戧堤穩(wěn)定提供了便利條件。

3.5 拋投料用量

合龍?jiān)囼?yàn)流量設(shè)計(jì)值分別為785 m3/s、635 m3/s時(shí)拋投料用量試驗(yàn)結(jié)果見表3。與Q=785 m3/s的截流試驗(yàn)流量相比,當(dāng)截流試驗(yàn)流量Q=635 m3/s時(shí),拋投材料總用量及其中的大粒徑拋投材料用量均有不同程度減少；拋投材料沖失量也減小,這也表明截流試驗(yàn)流量Q=635 m3/s時(shí)截流難度降低。

表3 拋投料用量試驗(yàn)結(jié)果

綜合比較上述試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)截流試驗(yàn)流量Q=785 m3/s時(shí)水力條件較為惡劣,且拋投材料大量流失,而當(dāng)截流試驗(yàn)流量Q=635 m3/s時(shí)不同龍口寬度所對應(yīng)的泄洪沖沙洞導(dǎo)流洞分流流量較小,考慮到莫莫克水利樞紐左岸泄洪沖沙洞導(dǎo)流實(shí)際,應(yīng)將截流流量確定為Q=635 m3/s,其水力學(xué)指標(biāo)仍然較高,且截流難度明顯降低；與此同時(shí),為保證截流施工過程的順利進(jìn)行,應(yīng)當(dāng)按照1.5~2.0 的備料系數(shù)充分準(zhǔn)備各級配拋投材料,為減少最困難階段拋投料流失,還應(yīng)同時(shí)準(zhǔn)備鋼筋石籠。

4 結(jié)論

根據(jù)莫莫克水利樞紐左岸的泄洪沖沙洞截流試驗(yàn)過程各工況試驗(yàn)結(jié)果分析,在導(dǎo)流洞進(jìn)口巖坎增設(shè)缺口以改善截流分流條件,降低分流困難的方案切實(shí)可行,且試驗(yàn)結(jié)果表明,莫莫克水利樞紐左岸的泄洪沖沙洞應(yīng)采用導(dǎo)流洞進(jìn)口截流流量確定635 m3/s,單導(dǎo)流洞和雙導(dǎo)流洞的截流分流方式,且導(dǎo)流洞進(jìn)口巖坎缺口寬度60 m的截流方案。此外,在截流進(jìn)占施工過程中,岸堤堤頭流速比龍口流速均值大,會造成岸堤堤頭沖刷,并可能在左堤頭處形成沖溝,必須引起注意。