漢江雅口樞紐工程二期截流設(shè)計

梁宇哲，蔡 戀

（中國葛洲壩集團勘測設(shè)計有限公司水利水電設(shè)計院，湖北 武漢 430073）

截流在水利水電工程中是重要的關(guān)鍵項目，也是影響工程施工進度的一個控制項目。如果截流不能按時完成，將制約圍堰施工，直接影響圍堰度汛的安全，并將延誤永久建筑物的施工工期；如果截流失敗，失去了枯水期的良好截流時機，將拖延工程施工期；對于通航河道，還可能造成斷航的嚴重后果。因此，一定要綜合縝密分析研究，提出切實可行的截流方案，保障截流成功，通過截流水力學(xué)計算，以確定截流過程中的落差、單寬流量、單寬能量、流速等水力學(xué)參數(shù)及其變化規(guī)律，再擬定截流戧堤進占程序及相應(yīng)的截流拋投材料規(guī)格。本文將以漢江雅口樞紐工程二期截流設(shè)計過程為例來進行相關(guān)說明。

湖北漢江雅口航運樞紐工程位于漢江中游丹江口—鐘祥河段、湖北省宜城市下游15.7 km 處，上距丹江口水利樞紐203 km，下距河口446 km，是漢江干流湖北省內(nèi)梯級開發(fā)中的第6 級，其上下游分別與崔家營梯級和碾盤山梯級銜接，距上游崔家營梯級約52.67 km，距下游碾盤山梯級約59.38 km，樞紐主要建筑物包括船閘、泄水閘、電站、土石壩、魚道等，是一座以航運為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、旅游等綜合效益的大（2）型航運樞紐工程。

本工程采用分期導(dǎo)流方式，一期先圍右岸，利用左岸束窄后的原河床過流，二期再圍左岸，利用一期已建的右岸15 孔泄水閘過流，二期截流于2019 年12月實施，截流標準依據(jù)SL 623—2013《水利水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計規(guī)范》，可采用截流時段重現(xiàn)期5—10 年的月或旬平均流量，本次設(shè)計選取600 m3/s 實測流量進行計算，選取5 年一遇12 月平均流量1 130 m3/s 進行復(fù)核。

雅口樞紐工程二期截流平面布置圖如圖1 所示。

圖1 雅口樞紐工程二期截流平面布置圖

1 地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷開闊，呈淺“U”形，河床寬淺，地形上左岸為河漫灘，寬約182 m，地面高程50.0 m 左右，其后緣接基巖岸坡，岸坡頂部為Ⅱ級階地，右岸為Ⅰ級階地，臺面寬1 800～3 500 m。壩軸線處水面寬約980 m。漢江主河道位于偏左岸的河床，水面寬約500 m，水深一般3.0～6.0 m，最大水深7.0 m 左右，江底高程多為41.5～44.4 m。

二期上游圍堰位于壩址上游河床，地面高程38.7～43.8 m。河床上部為粉細砂，厚2.7～8.7 m；下部為砂礫石層夾粉細砂透鏡體，厚6.0～11.7 m?；鶐r面出露高程為30.0～34.2 m?；鶐r主要為新近系黏土巖、粉細砂巖和疏松砂礫巖。

二期下游圍堰位于壩址下游河床，地面高程40.2～45.5 m。上部為粉細砂，厚1.7～10.1 m；下部為砂卵礫石層夾粉細砂透鏡體，厚6.9～17.3 m?；鶐r面出露高程河床為25～35 m。基巖主要為新近系黏土巖、粉細砂巖和疏松砂礫巖。

2 龍口位置選擇

通常龍口段在分流建筑物分流后進占，截流難度出現(xiàn)在龍口段拋投進占至合龍，故龍口位置選擇至關(guān)重要。

經(jīng)過測量分析，上游橫向圍堰軸線方向河床地形起伏較大，靠近一期圍堰上游裹頭附近和主航道位置河床較低；下游圍堰橫向段軸線方向河床地形平坦，主航道位置略深。

上游橫向圍堰處河道寬度約394 m，右岸臨近一期圍堰上游裹頭下游側(cè)，左岸岸坡高程為52.9 m；下游橫向圍堰處河道寬度約435 m，右岸臨近一期圍堰下游裹頭上游側(cè)，左岸岸坡高程為49.3 m。上游河道較窄，水深、流速較大，且一期圍堰填筑的護坡、護底為塊石，清除工程量大、難度高；下游河道較寬，流速較小，一期圍堰運行期內(nèi)受沖刷較小，塊石清除工程量小、難度低。

左岸施工道路主要利用已有的進場道路，道路位于下游圍堰下游側(cè)，與下游圍堰軸線相連接，上游圍堰需新建臨時道路；右岸施工道路主要是一期圍堰堰頂?shù)缆?，在一期圍堰拆除過程中利用料在一期圍堰縱向段進行備料，二期圍堰填筑過程中利用備料區(qū)作為施工平臺。

通過上述條件分析，綜合考慮材料準備和施工難度，龍口選擇在下游橫向圍堰處。

3 龍口段水力學(xué)特征[1]

龍口合龍過程中，分流建筑物已泄流，河道流量從分流建筑物和截流龍口同時向下游宣泄。龍口開始進占時，口門較寬，水流仍為明渠流。由于戧堤進占時使過水斷面在水平方向上收縮，產(chǎn)生局部能量損失，同時過水斷面減小，流速加大，部分勢能變成動能形成水面跌落，形成寬頂堰流。

戧堤進占深入河道中，使水流被束窄，流速加大，口門中部形成集中收縮的主流直沖下游，呈三向水流。在戧堤頭部作用下，形成帶有旋渦的分離線，把龍口水域分成回流區(qū)、紊動區(qū)、主流區(qū)。

隨著戧堤進占，龍口逐漸束窄，落差增大，口門水流流態(tài)由淹沒流變?yōu)榉茄蜎]流，最大流速出現(xiàn)在淹沒流過渡到非淹沒流的臨界狀態(tài)，龍口斷面束窄到三角形過水斷面后，口門縱向水面線上段趨于平緩，流速也減低較快，龍口合龍時，流速趨于零，但落差最大。

4 龍口段水力學(xué)計算

在截流過程中，分流建筑物為一期右岸已建15 孔泄水閘，有效泄水孔為12 孔，每孔寬為14 m，底板高程為44 m，泄流能力按閘孔過流公式（1）計算。

截流設(shè)計流量在截流過程中分為4 部分，按照公式（2）計算。

式（2）中：Q為截流設(shè)計流量；Qg為龍口泄流量；Qd為分流建筑物泄流量；Qr為上游河槽調(diào)蓄流量；Qs為截流戧堤滲流量。

截流涉及水力計算時，可將Qr與Qs作為安全裕度，一般可不予計入。

計算基本假定為：①不計戧堤滲透流量及水庫蓄調(diào)對上游水位的影響；②視龍口為梯形或三角形過水斷面的寬頂堰。

計算基于簡化的寬頂堰理論，即假定：①檻頂水面是平的，忽略波狀水面的影響；②非淹沒流時檻上水深取為臨界水深（hp=hk）；③淹沒流時檻上水深取為下游水深（hp=hn），不計回彈落差。

式（3）中：m為考慮收縮側(cè)影響在內(nèi)的流量系數(shù)，本工程取0.32；Bcp為口門平均水面寬，m；H為龍口上游水深，m。

式（4）中：S為戧堤軸線方向的邊坡坡度，取1.5；hk為臨界水深，m，采用式（5）、式（6）迭代試算；b為龍口底部寬度，初始寬度取150 m，后續(xù)取120 m、100 m、80 m、60 m、40 m、20 m、10 m、5 m、3 m、0 m 計算。

當口門為梯形過水斷面時：

式（5）中：Wk為臨界水深hk時相應(yīng)的口門過水斷面面積，m2；Bk為臨界水深hk時相應(yīng)的口門過水斷面寬度，m。

當口門為三角形過水斷面時：

拋投料粒徑計算如下：

式（7）中：d為折算成圓球體的直徑，m；vmax為最大流速，m/s，計算時取龍口軸線平均流速；k為綜合穩(wěn)定系數(shù)，取0.9；g為重力加速度；ρm為拋投體密度，塊石取2.6 t/m3；ρ為水的密度，取1 t/m3。

當龍口底寬一定時，求得此龍口寬度下的泄流能力，與泄水閘泄流能力疊加形成聯(lián)合泄流曲線，根據(jù)聯(lián)合泄流曲線確定龍口與泄水閘的分流量，進而計算出龍口各項水力指標，求得600 m3/s 和1 130 m3/s 流量下不同龍口寬度的水力學(xué)特性，如表1、表2 所示。

表1 600 m3/s 流量下龍口不同寬度的水力特性計算表

根據(jù)水力學(xué)計算成果，當龍口寬度為40～150 m時采用粒徑20～35 cm 塊石料，當龍口寬度小于40 m時，采用粒徑35～50 cm 塊石料，另預(yù)制2 m×1 m×0.6 m 混凝土塊備用。

5 龍口段進占程序

左岸側(cè)塊石戧堤沿圍堰下游結(jié)構(gòu)邊線自岸坡向龍口部位進占約110 m，右岸側(cè)塊石戧堤沿圍堰下游結(jié)構(gòu)邊線自一期圍堰坡腳向龍口部位進占約185 m，堤頭頂寬為10 m，二期截流充分利用一期圍堰拆除土石料，塊石戧堤進占30 m 后，即開始內(nèi)側(cè)填筑料填筑，形成防滲施工平臺并用作截流備料場地。

為減小截流過程中水流對河床的沖刷，龍口段預(yù)先采用塊石料進行平拋護底，平拋護底寬50 m，長度與龍口寬度一致，為150 m，龍口段采用雙向立堵進占方式。

6 結(jié)束語

在河道截流過程中不僅要確定龍口段各水力學(xué)參數(shù)及拋投體規(guī)格等，還要考慮截流過程中各種特殊情況，提前準備應(yīng)急預(yù)案，如遇龍口拋投材料大量流失、裹頭出現(xiàn)被沖毀的跡象、截流流量超標等，應(yīng)采取加大拋投強度、調(diào)整拋投材料粒徑及類型等措施，綜合分析，及時調(diào)整截流方案。