工程明渠提前截流方案及水力學試驗研究

劉海燕

(遼寧省阜新市彰武縣水利局，遼寧 阜新 123200)

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工程明渠提前截流方案及水力學試驗研究

劉海燕

(遼寧省阜新市彰武縣水利局，遼寧 阜新 123200)

為保證彰武縣水庫導流明渠工程截流成功，文章通過水力學及水工模擬試驗，通過工程各項水力參數指標驗證了其截流設計方案的可行性，并對試驗中所存在的問題進行了分析探討，提出了降低工程截流風險的對策建議和工程截流推薦方案，為工程的順利實施提供了科學依據。

導流明渠；截流方案；截流試驗；相關分析

1 概 述

彰武縣是遼寧西北部的一個縣城，全縣面積為3635km2，全縣總人口41.86萬人，其中農業人口34.67萬人。全縣自西向東分布著繞陽河、柳河、養息牧河和秀水河四大河流水系，其中：繞陽河流域面積923.6km2，建有小型水庫8座；柳河流域面積935.9km2，建有小型水庫15座，中型水庫1座，大型水庫1座；養息牧河流域面積1524.6km2，建設有小型水庫15座，中型水庫1座；秀水河流域面積250.9km2，建有小型水庫4座，以上四大流域共建大、中、小型水庫45座，其中省管大型水庫1座(鬧德海水庫)，地方管理的中小型水庫44座，其中中型2座，小型水庫42座。

這些水庫大壩為均質土壩，壩高在4.5-23.5m，壩長在48-1850m，這些水庫大多數為20世紀50—60年代修建，由于當時設計、施工條件以及水庫建成后，長期運用，年久失修，大部分帶病險運行，為了保障水庫發揮灌溉和防洪效益，每年在到汛期前對水庫明渠都采取臨時導流措施，以保證水庫汛期安全。

2 模型試驗

2.1 試驗設計

將河床地形地質、圍堰結構等因素綜合考慮進去，將龍口設置在河床中部，以保證截流前河水能夠順暢通過龍口下泄。節流所采用的拋投材料為：

石渣：0.1m<原型粒徑<0.3m；

中石：0.3m<原型粒徑<0.7m；

大石：0.7m<原型粒徑<1.0m；

特大石：1.0m<原型粒徑1.2m。

2.2 試驗結果

流量不同的情況下，截流試驗中相關的水力學參數如表1。

特大石截流材料抵抗水流沖刷的流速可以通過依茲巴士公式求得：

(1)

式中：γ1為塊石容重，t/m3，取γ1=2.5t/m3；γ為水流容重，取γ=1.03t/m3；D為塊石當量直徑，m；k為塊石重量，kg/m3。

經計算，特大石截流材料抗水沖流速v為7.68m/s，但901m3/s工況下最大點流速為7.82m/s，可見石塊在水流作用下啟動正常，所以坍塌現象并非偶然；而268(無護底)m3/s、268(護底)m3/s、385(設計)m3/s、385 (比較)m3/s和600m3/s工況下整體水力參數明顯低于901m3/s，故其坍塌程度要輕于901m3/s。

假設坍塌發生前堤頭前沿的邊坡角為α1，坍塌后邊坡角為α2，堤頭坡腳的沖刷深度為△H，戧堤堤高為H，堤寬B，則可以通過建立截流戧堤坍塌模型求得坍塌長度L和坍塌高度h：

L=H×ctanα2-H×ctanα1

(2)

h=(H+△H)[]

(3)

表1 截流方案主要水力參數

從表1可見，本水庫導流明渠工程龍口落差、平均流速等水力學指標均較高，各工況普遍存在拋投料流失現象，試驗中的拋投進占方式統統采用上挑腳方式，設定拋投強度為300m3/h，特殊工況下的拋投強度為350m3/h。試驗過程中左戧堤裹頭處沖刷嚴重且發生大規模坍塌，坍塌主要是由水流作用引起，即水流沖刷左岸戧堤下游的角坡裹頭并造成上陡下緩進而引起推動式沖刷，將裹頭內部小塊石沖走進而引發牽引式坍塌。

經過計算，600m3/s工況的坍塌長度L為4.0m，高度h為6.2m，這與實際坍塌情況基本相符，經過試驗可以發現，通過延長裹頭長度(延長至7m)或增大裹頭材料粒徑(增大至1.5m)則可以有效控制坍塌的發生，還可以通過降低戧堤高程或加寬戧堤的方式降低坍塌發生的概率。

2.3 截流流量和截流方案

本工程截流難度大，比較不同流量級別下的截流難度表明，截流流量為901m3/s時，堤壩沖刷和潰堤最為嚴重，且拋投料會遇嚴重漏損。流量為268m3/s時水力學指標均較低，且拋投料漏損較少，截流流量小，綜合比較后選取截流流量為268m3/s，雖無護底和護底水力學指標相似，但護底施工難度較大且受龍口水力因素及沖刷影響較大，建議采用截流流量268m3/s(無護底)，該方案戧堤預進占各區段備料及龍口合區段備料詳見表2和表3。

表2 截流戧堤預進占各區段備料表 (工況268m3/s無護底)

表3 合龍各區段備料表(工況268m3/s無護底)

2.4 相關分析

本水庫導流明渠工程截流難度較大的原因在于分流條件，分流條件是決定截流落差Z和截流難度的重要變量。本工程溢洪道進口底板高程473.0m，截流戧堤軸線主河床底高程為469.0m，低于溢洪道進口底板，進而降低了溢洪道的分流能力，而當本工程龍口寬20m時，在工況268m3/s無護底下，分流比為零，分流能力處于最低水平。將試驗結果描繪在圖中，便形成分流建筑物Z-Q曲線，如圖1所示。

圖1 分流建筑物Z-Q曲線圖 (工況268m3/s無護底)

結合水量與能量平衡算式，當本水庫導流明渠工程龍口寬18m時，分流建筑物所具有的分流比為0.5，流速的平均值為2.6m/s，渠道單寬流量8.9m3/s·m，已經大大降低截流風險。溢洪道雖為永久建筑物，但其分流能力嚴重不足，若想徹底消除截流過程的風險度，必須修建截流分水閘或泄水道，以確保截流任務順利完成。

3 結 論

綜上所述，本水庫導流明渠工程落差大、流速高且流量漏損大，為此必須充分準備大量的特大石與鉛絲籠并做好串體拋投的準備，再者雖然工程截流過程流量小，但是不能忽視截流的影響，必須做好輔助措施，即修建截流分水閘或臨時泄水道以輔助分流。

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1007-7596(2017)03-0036-02

2017-02-20

劉海燕(1971-)，女，遼寧阜新人，工程師。

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