樟樹水庫過水圍堰模型試驗研究

章文兵

（江西省修江水利電力勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，江西 南昌 330008）

1 工程概況

樟樹水庫是以灌溉供水功能為主的水庫工程。水庫位于德安縣磨溪鄉(xiāng)，灌溉農(nóng)田166.67 hm2，工程等別為Ⅳ等、小（1）型水庫工程。根據(jù)工程等別，確定永久建筑物的主要建筑物級別為4 級。樞紐工程由均質(zhì)土壩、溢洪道、右岸灌溉取水涵閘及輸水供水系統(tǒng)等組成。根據(jù)施工導(dǎo)流方式，市水利水電勘測設(shè)計院在可研階段結(jié)合施工進(jìn)度，選定枯水期圍堰施工導(dǎo)流方案，并在水庫右岸近壩位置增設(shè)一條12 m寬、14 m高、420 m長的1#導(dǎo)流隧洞，在1#導(dǎo)流隧洞左側(cè)布置總長225.50 m的2#導(dǎo)流隧洞。圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)為10月至次年4月枯水期10年一遇洪水設(shè)計流量642 m3/s，20年一遇設(shè)計流量1 040 m3/s。上下游圍堰均為土石過水圍堰，堰頂高程分別為34.40 m和28.10 m。根據(jù)進(jìn)度安排，僅在2020年5-9月一個汛期由1#導(dǎo)流隧洞和基坑聯(lián)合下泄來水，其后則通過壩體臨時斷面擋水。

2 過水圍堰模型設(shè)計

為掌握水庫施工導(dǎo)流階段具體水流條件，結(jié)合河床地形條件校核施工導(dǎo)流方案的可靠性，保證圍堰及水庫大壩度汛安全，必須對樟樹水庫過水圍堰導(dǎo)流模型進(jìn)行試驗。具體而言，采用動床正態(tài)模型并按照重力相似、阻力相似準(zhǔn)則設(shè)計，比例尺為1：50。以上游圍堰軸線以上500 m，下游圍堰軸線以下700 m的總長度為模型制作范圍，根據(jù)河道沖淤平衡原則，以上下游圍堰堰面、壩體及下游圍堰以下河床等為動床進(jìn)行模型設(shè)計。

依據(jù)2020年4月30日前壩體和圍堰度汛面貌，樟樹水庫過水圍堰導(dǎo)流模型試驗采用2年一遇、5年一遇、10年一遇和20年一遇過水工況所對應(yīng)的325、407、642、1 040 m3/s四種洪水標(biāo)準(zhǔn)。選取代表性工況（見表1）進(jìn)行導(dǎo)流模型定床試驗，并基于分析結(jié)果展開動床試驗，通過試驗進(jìn)行過水水面線測試；試驗范圍內(nèi)水流流速及流態(tài)觀測，上下游圍堰流速分布；上下游圍堰過流時水躍發(fā)生特征及關(guān)鍵部位流速流態(tài)觀測；分析河床岸坡、基坑壩面及圍堰結(jié)構(gòu)沖刷；導(dǎo)流隧洞和圍堰聯(lián)合泄流情況模擬分析；圍堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。

表1 導(dǎo)流模型定床試驗代表性工況表

3 定床模型試驗

測試導(dǎo)流隧洞與圍堰聯(lián)合泄流時的分流能力，測試結(jié)果見表2。由表2 可知，20 年一遇工況下圍堰上游實測水位為49.60 m，比設(shè)計值49.79 m 略低，表明該水庫導(dǎo)流隧洞與圍堰聯(lián)合泄流能力基本滿足設(shè)計要求。

表2 不同工況下導(dǎo)流隧洞分流量與上游水位實測值表

上游圍堰在各級流量下堰前流態(tài)均處于平穩(wěn)狀態(tài)，過堰水流沿下游坡面下泄后流速逐漸增大，并形成水躍。水躍躍首主要出現(xiàn)在堰后首級斜坡坡面下部2/3～3/4處，高程約為28～32 m；水躍狀態(tài)基本穩(wěn)定，表層水體大量摻氣且劇烈旋滾。在上游圍堰和大壩覆蓋層均未開挖的四個工況下河床平面形態(tài)對水流施加橫向的約束作用，水流流過堰頂后發(fā)生嚴(yán)重側(cè)收縮，兩側(cè)表現(xiàn)出明顯的側(cè)向卷流。在上游圍堰和大壩覆蓋層均已開挖以及大壩趾板已開挖工況下，右岸水流側(cè)收縮特征仍十分明顯。為保證樟樹水庫施工過程中水流形態(tài)平順，將兩道防護(hù)導(dǎo)墻增設(shè)在上游圍堰堰頂兩側(cè)，經(jīng)二次模擬驗證，防護(hù)效果良好。

水流在各級流量下越過下游圍堰堰頂并未發(fā)生較大跌落。在流量增大的過程中，因受到下游水位頂托的影響，水躍發(fā)生位置逐漸從下游圍堰背水面向圍堰堰頂爬升。不同工況下壩面流態(tài)均較為平穩(wěn)，壩面處水流流速也表現(xiàn)為兩側(cè)大、中間小的形式；導(dǎo)流隧洞進(jìn)口處水流則較為平順，隧洞出口流量均表現(xiàn)為自由出流，水躍較為明顯的出口引渠段水躍躍首與導(dǎo)流隧洞出口距離為70～180 m。下游河床水流流態(tài)則與導(dǎo)流隧洞出口水流和圍堰下泄水流有關(guān)，水流流態(tài)主要隨下游河床水位的升高而趨于平穩(wěn)，回流逐漸減弱。

1 040 m3/s不同工況典型位置流速試驗結(jié)果見表3。

表3 1 040 m3/s的典型位置流速試驗結(jié)果表 單位：m/s

4 動床模型試驗

4.1 原方案動床試驗

結(jié)合導(dǎo)流隧洞運行實際，拆除上游圍堰側(cè)堰面定床，增設(shè)護(hù)面面板護(hù)堰結(jié)構(gòu)，該護(hù)堰面板原型長10 m、寬10 m、厚0.80 m，試驗?zāi)Ｐ烷L20 cm、寬20 cm、厚1.60 cm。在試驗過程中，為保證模擬過程及結(jié)果的準(zhǔn)確性，還應(yīng)進(jìn)行每塊混凝土面板勾縫處理，以模擬面板間鋼筋連接，并通過水泥砂漿處理面板和兩岸，保證其可靠連接。按照設(shè)計尺寸進(jìn)行圍堰面板、堰體及下層墊料厚度、粒徑等模擬。動床試驗過程中，當(dāng)流量為325 m3/s時，上游圍堰結(jié)構(gòu)側(cè)面板基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)流量增大至407 m3/s 時，面板在約為28 m 處被掀起，為分析其他因素的影響，進(jìn)行了護(hù)堰面板的重新鋪設(shè)。二次試驗中護(hù)堰板仍在躍首部位出現(xiàn)傾覆式破壞。

4.2 堰面保護(hù)措施優(yōu)化后的動床試驗

上游圍堰過水堰面原方案使用長10 m、寬10 m、厚0.80 m的混凝土面板，模擬試驗中屢遭掀起破壞，為此必須進(jìn)行原設(shè)計護(hù)面結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化。在全面分析上游圍堰過水堰面板受力情況、失穩(wěn)原因、施工工藝等的基礎(chǔ)上，將上游圍堰護(hù)面方案從單塊混凝土護(hù)面面板形式調(diào)整混凝土整體澆筑形式，并順?biāo)飨虬凑?2 m 間隔設(shè)置縱縫，在上游圍堰下游側(cè)平臺增設(shè)孔徑20 cm、孔距2.00 m排水孔。按照優(yōu)化后的方案重新進(jìn)行模型動床試驗，一次性模擬8月洪水過程，根據(jù)模型時間比尺，在模擬過程中將流量325、407、642、1 040 m3/s 的放水時間分別設(shè)置為2.50、1、1 和1 h，根據(jù)洪水過程線確定兩個流量之間的過渡時間。

在以上過水時間及工況下模型試驗過程中，上游圍堰下游側(cè)護(hù)面面板并未出現(xiàn)掀起、坍塌等破壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合設(shè)計要求，下游圍堰下游側(cè)護(hù)面面板和鉛絲籠等結(jié)構(gòu)也處于穩(wěn)定狀態(tài)。為提升圍堰結(jié)構(gòu)的安全性，增安全儲備，還在模型中左右兩岸、堰頂及護(hù)面面板處進(jìn)行了切割，盡可能確保每條面板均處于獨立狀態(tài)，并盡可能模擬最為不利的工況；同時還針對上游圍堰下游側(cè)護(hù)面板和堰體進(jìn)行隔離試驗，論證其穩(wěn)定性。以上試驗表明樟樹水庫過水圍堰優(yōu)化方案切實可行。

5 結(jié)論

綜上所述，樟樹水庫河床地形在平面對水流施加橫向約束，故流經(jīng)上游圍堰堰頂?shù)乃鲿l(fā)生嚴(yán)重側(cè)向收縮，兩側(cè)發(fā)生明顯斜向卷流，為此采取堰頂增設(shè)導(dǎo)墻，并對原混凝土面板結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后上游圍堰下游側(cè)采用寬度12 m的整體澆筑混凝土面板，并增設(shè)排水孔，還將面板和四周堰體正常聯(lián)結(jié)。模型試驗結(jié)果表明，面板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后上游圍堰護(hù)面板運行未出現(xiàn)掀起、傾覆、坍塌等情況，安全穩(wěn)定性較好。