莫莫克水利樞紐工程施工截流模型試驗

辛軍社

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院,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性河段,壩址在葉城縣柯克亞鄉境內,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、養殖、發電、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,所對應的庫容為8448×104m3,死水位1873 m,對應庫容1806×104m3,調節庫容6642×104m3（泥沙淤積30 a后為5269×104m3）,電站裝機容量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防滲形式,迎水面和背水面設計邊坡分別為1∶0.2和1∶1.5,迎水坡面及坡腳2 m范圍內設置厚度0.5 m的格賓石籠防護結構。

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,壩址區河道所具有的天然屬性發生改變,水位壅高,流速減緩。莫莫克水利樞紐正是利用水庫回水進行截流設計施工。莫莫克水利樞紐左岸的泄洪沖沙洞進口處預留攔渣巖坎,上游水位在進行龍口進占施工的早期階段不高,泄洪沖沙洞由于分流條件不足,導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口巖坎,此時,泄洪沖沙洞才真正起到來水量分流作用。考慮到本樞紐工程泄洪沖沙洞分流時段所處的階段,故提出在泄洪沖沙洞進口巖坎設置一定深度的缺口,達到提前分流并降低龍口段水利指標的目的。

2 試驗設計

為進行莫莫克水利樞紐泄洪沖沙洞施工截流分析,采用正態動床截流模型[1],并根據重力相似準則[2]使所構建的試驗模型和樞紐工程原型在幾何形態上相似,即按照比例尺將工程原型同比例縮小,以得出試驗模型設計尺寸；此外,試驗模型和工程原型還應具備相同的動力形態及水流運動形態。按1∶60確定試驗模型幾何比尺L,試驗模型的制作材料主要選用有機玻璃,模型單寬流量比尺Q、流速比尺V、時間比尺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設計。結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占截流,為合理確定設計截流標準、可能的分流條件并進行設計截流方案合理性的判斷,應根據水利樞紐工程所在流域實際情況,以10月下旬~11月中旬為設計截流時段,并取10 月下旬785 m3/s,11月上旬710 m3/s,11月中旬635 m3/s的流量為截流試驗過程中的平均流量。在莫莫克水利樞紐左岸設置兩條泄洪沖沙洞導流洞,并選擇單導流洞分流、雙導流洞分流兩種截流分流方式。為降低龍口水力指標,達到優化分流的目的,還應在左岸的泄洪沖沙洞進口巖坎增設缺口,分別分析無缺口、30 m缺口、75 m缺口三種工況下分流效果。考慮到本次針對莫莫克水利樞紐工程泄洪沖沙洞所進行的截流試驗主要目的在于分析和研究流域枯水期時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,試驗所設定的下游庫水位應低于正常水位,結合水庫運行實際,分別擬定1894 m（水庫正常蓄水位）、1891 m、1888 m三種水位進行截流模型試驗。

3 試驗成果分析

3.1 截流時段的比較

當10月下旬設計平均流量Q=785 m3/s時,莫莫克水利樞紐左岸泄洪沖沙洞單導流洞截流分流方式和雙導流洞截流分流方式下,截流龍口流速均值最大分別達5.38 m/s和5.64 m/s。11月上旬流量均值Q=710 m3/s時,莫莫克水利樞紐左岸泄洪沖沙洞單導流洞截流分流方式和雙導流洞截流分流方式下,截流龍口流速均值最大分別達5.27 m/s和5.32 m/s。11月中旬流量均值Q=635 m3/s時,莫莫克水利樞紐左岸泄洪沖沙洞單導流洞截流分流方式和雙導流洞截流分流方式下,截流龍口流速均值最大分別達5.05 m/s和5.01 m/s。水力學指標具體見表1。通過對截流試驗結果的對比分析可以看出,按照所設計的截流流量,龍口水力學指標均較為接近,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的設計結果。

表1 不同截流分流方式下龍口水力學參數

3.2 導流洞分流能力比較

在785 m3/s、710 m3/s、635 m3/s的截流試驗設計流量下,比較分析單導流洞和雙導流洞兩種截流分流方式下泄洪沖砂洞及龍口水力學參數。考慮到龍口進占前期泄洪沖沙洞導流洞不過流的實際情況,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生分流流量,該臨界水位即為巖坎高程,也只有當上游水位升高至淹沒泄洪沖沙洞導流洞進口巖坎后,導流洞截流分流的作用才得以真正發揮。根據試驗結果,當截流設計流量為785 m3/s、710 m3/s時,臨界水位位于30 m~35 m的龍口寬度下,而截流設計流量為635 m3/s時,臨界水位處于25 m~30 m的龍口寬度。試驗結果見表2。

通過比對同流量組內不同截流分流方式的分流流量發現,單導流洞截流分流和雙導流洞截流分流的差別主要體現在分流難度最大及以后時段,且雙導流洞截流分流效果略微優于單導流洞分流。

3.3 截流難度的降低

按照正常截流分流設計,龍口流速均值最大可達5.38 m/s,為降低截流難度,確保截流施工安全,應采用在泄洪沖沙洞導流洞進口巖坎增設缺口的方式,使上游水位降低、分流時段大大提前,從而達到截流難度降低的目的。結合對試驗結果的分析可知,針對本水利樞紐泄洪沖砂導流洞進口巖坎所采取的增設缺口的工程措施的確起到了提前截流困難時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

結合截流模式試驗,當試驗流量在635 m3/s ~785 m3/s區間且上游戧堤閉氣后戧堤水位達到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。在截流模型試驗過程中也從未出現戧堤失穩,可見25 m的戧堤頂寬設計符合工程實際及安全施工的要求。截流模型試驗中隨龍口進占,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,反而為截流進占和戧堤穩定提供了便利條件。

3.5 拋投料用量

合龍試驗流量設計值分別為785 m3/s、635 m3/s時拋投料用量試驗結果見表3。與Q=785 m3/s的截流試驗流量相比,當截流試驗流量Q=635 m3/s時,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,這也表明截流試驗流量Q=635 m3/s時截流難度降低。

表3 拋投料用量試驗結果

綜合比較上述試驗結果,當截流試驗流量Q=785 m3/s時水力條件較為惡劣,且拋投材料大量流失,而當截流試驗流量Q=635 m3/s時不同龍口寬度所對應的泄洪沖沙洞導流洞分流流量較小,考慮到莫莫克水利樞紐左岸泄洪沖沙洞導流實際,應將截流流量確定為Q=635 m3/s,其水力學指標仍然較高,且截流難度明顯降低；與此同時,為保證截流施工過程的順利進行,應當按照1.5~2.0 的備料系數充分準備各級配拋投材料,為減少最困難階段拋投料流失,還應同時準備鋼筋石籠。

4 結論

根據莫莫克水利樞紐左岸的泄洪沖沙洞截流試驗過程各工況試驗結果分析,在導流洞進口巖坎增設缺口以改善截流分流條件,降低分流困難的方案切實可行,且試驗結果表明,莫莫克水利樞紐左岸的泄洪沖沙洞應采用導流洞進口截流流量確定635 m3/s,單導流洞和雙導流洞的截流分流方式,且導流洞進口巖坎缺口寬度60 m的截流方案。此外,在截流進占施工過程中,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。