TB 水電站截流方案與現場截流分析研究

趙銀超，米熱扎提，楊磊，吳都督，陳小云

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410004；2.水資源與水電工程科學國家重點實驗室武漢大學，湖北武漢 430072；3.湖北水總工程勘察設計有限公司，湖北武漢 430050）

0 引言

截流是水電工程建設的重要環節，在施工技術和施工組織上都有一定的難度。為保證截流工程安全高效的順利完成，需要對截流過程進行模型試驗研究，分析龍口各項水力參數的變化規律，為截流設計提供依據。

經過幾十年的發展，截流技術理論逐步完善。1992年肖煥雄［1］編著的《施工水力學》，奠定了進一步研究截流的良好理論基礎。周厚貴、劉光廷等［2］針對三峽大江深水立堵截流進行堤頭坍塌計算研究，求出不同工況條件下的堤頭坍塌情況，進行有效的坍塌預報。楊文俊、鄭守仁等［3］在三峽工程明渠提前截流論證時，研究河床墊底加糙、雙戧堤截流配合等關鍵技術，建立了科學化、信息化、數字化截流框架體系及動態決策系統。范錫峨、胡志根［4］等計算雙戧堤立堵截流龍口水力要素時，提出用非恒定流計算方法求解戧堤間恒定流動時的水面線，分析龍口流速變化規律，研究上戧堤、下戧堤進占時截流落差分配之間的關系，提出相應的雙戧堤截流優越性判斷方法。賀昌海［5］對比了目前存在的風險計算方法的優劣，提出基于完整水力學計算的Monte-Carlo 法計算風險率。隨著計算流體動力學的發展，數值模擬計算在水利工程中的應用越來越普遍。劉綠波［6］、戴會超［7］和夏軍強［8］用數學模型模擬了三峽工程大江截流龍口水力特性。陸賀［9］結合數值模擬及物理模型試驗，研究了引水渠回水檻協助下的立堵截流水流特性。李登松［10］基于FLUENT二次開發的局部沖刷三維數值仿真平臺，分析了單向進占時戧堤沖刷特點及物理成因。

近年來，大江大河梯級開發方興未艾，故多有“一江多截”情況。若能有效利用上級電站進行調洪控泄，將會一定程度降低下級電站的截流施工難度。因此針對瀾滄江TB 水電站截流施工，綜合運用水工模型試驗以及數值模擬方法，分析研究了截流過程中的龍口水力要素，提出了截流推薦方案。并結合實際截流前的現場條件，采用上級電站調控泄流量的方式，降低了截流難度，保證了截流的順利實施，為今后類似截流施工提供了有益參考。

1 工程概況

TB水電站位于云南省迪慶州維西縣中路鄉境內，電站樞紐由混凝土重力壩、泄洪設施、引水發電建筑物等組成。TB 水電站初期導流選擇圍堰一次性攔斷河床的隧洞導流方式。左岸布置2條導流隧洞，導流洞為城門洞型，全斷面襯砌標準過水斷面為11.5 m×11.68 m（寬×高）。

根據TB 水電站工程水文地質條件，初設截流方案為：由左岸向右岸（右岸6 m裹頭）單戧堤單向立堵進占的截流方案。截流設計標準采用11 月上旬10 年一遇旬平均流量751 m3/s。對于提前截流方案，截流設計標準采用10 月下旬10 年一遇旬平均流量964 m3/s。

2 截流模型試驗設計

2.1 物理模型制作

為了TB 水電站截流施工任務的順利完成，對初設截流方案進行了物理模型試驗。試驗采用局部動床模型，按重力相似準則設計，模型長度比尺為λl=60。選取隧洞進口至壩軸線、下游圍堰至導流洞出口河床為動床，以測試截流過程中的河床沖刷。動床料粒徑以抗沖流速1.5～3.0 m/s來控制。

2.2 截流模型試驗方案

截流模型試驗主要方案如表1所示。

表1 截流模型試驗工況表Tab.1 Test cases of closure model test

2.3 數值模擬設計

采用Flow-3D 進行數值模擬計算。計算采用RNG k-ε 紊流模型，自由液面追蹤采用TruVOF 法，采用有限差分法進行離散。模型網格劃分時采用結構化網格，綜合考慮試驗參數測試區域精度要求以及模擬計算時間，把整體模型分為三部分（section1、section2、section3），如圖1 所示。其中粉色部分計算區域精度要求較高，網格邊長設為1 m，左右兩部分網格邊長設為2 m，模型總網格數量在1 400萬左右。

圖1 模型網格塊劃分示意圖Fig.1 Diagram of model grid block

設置計算模型邊界條件時，Xmin為進水口（水流流向為X軸方向），該處選擇流量邊界Vfr并設定流進流量及水位條件；Xmax為下游水位控制點，該處選擇壓力邊界P并設定相應下游水位。Ymax、Ymin、Zmin分別為模型計算區域兩側邊及底部，均設為固體邊界W；Zmax為模型上表面，選擇壓力邊界P，并設定壓強為0、體積分數為0。

3 初設方案截流成果分析

3.1 A工況截流模型試驗成果

該工況截流模型試驗過程中，戧堤頂寬30.0 m，頂高程1 628.00 m。采用0.06～0.80 m 粒徑的石渣混合料，平均拋投強度在400～550 m3/h，可順利完成截流。合龍后戧堤下游側的流失體主要是進占料流失，以及進占過程中河床底部的局部輕微沖刷。最終流失料約占戧堤體積的5.0%。在該工況下截流，龍口軸線處最大垂線平均流速為4.57～5.19 m/s；龍口最大單寬流量為19.28～21.75 m3/（s·m）；最大單寬功率為226.72～319.76（t·m/s·m）；截流最大落差為4.54～4.62 m。

A 工況截流最困難龍口寬度在28.8m 附近，該龍口寬度不同巖埂高度下的水力參數對比如下表2所示。

表2 截流龍口水力參數對比表（龍口寬度28.8 m）Tab.2 Comparison of hydraulic parameters of closure gap（The width of closure gap 28.8 m）

由上表可以看出，同一流量下，導流隧洞前巖埂高度從0～3 m 的變化過程中，戧堤上游水位變高，龍口分流量、龍口平均流速及落差等水力參數也都相應的變大。其中戧堤落差增高0.3 m，龍口分流量增加35.76 m3/s，龍口平均流速增大0.64 m/s，龍口平均單寬功率增加93.04 t·m/s·m，整體截流難度呈增大趨勢。但在現有施工水平下采用推薦的拋投強度及用料粒徑，仍然可以順利完成截流。

3.2 B工況截流模型試驗成果

該工況截流模型試驗過程中，戧堤頂寬30.0 m，頂高程1 626.60 m，上挑角進占料粒徑約為0.30～0.60 m，跟進料則用0.06～0.80 m粒徑的石渣混合料，平均拋投強度400～550 m3/h（原型），可順利完成截流。合龍后戧堤下游側流失料體積約占戧堤體積的1.0%。在該工況下截流，龍口軸線處最大垂線平均流速為4.26～4.49 m/s；龍口最大單寬流量為18.58～19.43 m3/（s·m）；最大單寬功率為94.66～110.45（t·m/s·m）；截流最終落差為3.26～3.58 m。

B 工況截流最困難龍口寬度在20.7 m 附近出現，表3 對比了兩種工況截流最困難寬度時對應的龍口水力參數。

表3 截流困難區段龍口水力參數對比表Tab.3 Hydraulic parameters comparison of difficult section of river closure

通過上表對兩種工況截流最困難區段龍口水力參數的對比分析可以看出，截流流量從751 m3/s 增加到964 m3/s 后，各項水力參數都相應變大。其中戧堤落差增大了0.57～0.76 m，龍口平均流速增大了1.52～1.85 m/s，龍口平均單寬功率增大了132.06～209.31 t·m/s·m。從單寬功率指標分析，雖然截流流量增加的不多，卻引起了截流難度的明顯增加。

3.3 B工況截流數值計算成果

對B 工況隧洞進口3 m 巖埂工況下各個龍口寬度的水力參數進行了數值模擬計算。典型龍口寬度的整體流態及與模型試驗流態對比如圖2、3 所示，數值計算結果與模型試驗數據對比如表4所示。

表4 B工況數值計算與模型試驗水力參數對比表（3 m巖埂）Tab.4 Comparison of hydraulic parameters between numerical calculation and model test in B test case（height of residual rock 3 m）

圖2 B工況整體流態圖（流量751 m3/s，龍口寬28.8 m，3 m巖埂）Fig.2 Flow pattern of test case B（discharge 751 m3/s，width of closure gap 28.8 m，height of residual rock 3 m）

由圖3可以看出，戧堤下游主流偏向右岸，與河床左岸之間形成回流，回流流速較小。數值計算流態與物理模型試驗流態極其相似。

圖3 B工況龍口流態對比圖（流量751 m3/s，龍口寬28.8 m，3 m巖埂）Fig.3 Comparison of flow pattern in test case B（discharge 751 m3/s，width of closure gap 28.8 m，height of residual rock 3 m）

通過表3 典型龍口寬度的龍口處水力參數對比可知，戧堤落差最大相差0.12 m，龍口分流量最大相差17.34 m3/s，龍口水深最大相差0.32 m，龍口平均流速最大相差0.33 m/s。數值計算成果與物理模型試驗實測數據整體差別較小，兩者數據吻合度較高，差值都在容許誤差范圍之內，說明能采用上述數值模擬方法計算截流水力參數。

3.4 推薦截流方案

結合以上工況的截流模型試驗、數值計算成果及水力參數指標，綜合考慮目前國內水電工程截流實踐，11 月上旬流量751 m3/s 工況下截流難度適中，推薦11 月上旬單戧堤立堵截流方案。該流量下，戧堤軸線斷面最大平均流速4.45 m/s；戧堤頭部最大垂線平均流速4.49 m/s；最大落差3.58 m；最大單寬功率110.45 t·m/s·m；困難區段在龍口寬度30～20.0 m 之間，最大水深8.94 m。拋投采用25T 自卸汽車，拋投強度為400～550 m3/h左右。拋投材料粒徑為0.06～0.30 m 及0.60～0.80 m，備料量2.18 萬m3（考慮1.1 的備料系數），整個合龍過程中有部分石渣料流失，所需最大拋投材料粒徑為0.80 m，數量0.4 萬m3；若大塊石開采有困難時，也可制作石籠（鉛絲石籠或鋼筋石籠）以取代部分大塊石。

4 現場截流成果分析

4.1 截流前數值模擬

由于現場相關項目施工進度提前，TB 水電站計劃提前至10月下旬截流。但現場測試發現導流洞進口圍堰拆除時，進口殘留巖埂高度約為10 m，遠高于預計高度，導致隧洞分流條件急劇降低。加上實際施工工期臨近，河床地形及堆渣條件發生了較大變化，故采用Flow-3D軟件預先進行數值模擬分析，為實際截流施工提供相關數據參考。根據實際截流前的水文條件，數值模擬主要考慮計算上游電站機組滿發流量及實際截流前區間流量1 000 m3/s、上游電站單機滿發流量及實際截流前區間流量550 m3/s 的情況。隧洞進口巖埂高度10 m，戧堤上下游河床按照實際堆渣地形模擬。

不同工況下的水流流態如圖4、5所示。各工況截流最困難區段的落差z、最大平均流速v、最大單寬功率n及相應所需最大拋投粒徑d［9］與模型試驗A工況對應數據比較如圖6所示。

由圖4、5可以看出，同一龍口寬度時，兩種工況流態特性相似，戧堤上下游水位變化明顯，龍口后主流偏向右岸，水流在戧堤后與左右岸之間相繼形成回流區，回流流速較小。

圖4 龍口寬度B=35 m時整體流態圖（流量550 m3/s；10 m巖埂）Fig.4 Flow pattern with closure gap width B=35 m（discharge 550 m3/s，height of residual rock 10 m）

由圖6截流流量1 000 m3/s和964 m3/s下不同巖埂高度時的龍口水力參數對比中可以看出，10 m 巖埂工況龍口處的水力參數遠大于3 m 巖埂工況時的水力參數，所需最大拋投材料粒徑分別為1.5 m 和0.75 m。導流洞進口前10 m 巖埂對導流洞分流產生了較大影響，提高了戧堤上游水位，使龍口各項水力參數都相應增大，從而大大提高了截流難度。

截流流量對截流難度的影響是不言而喻的。通過圖6 中550 m3/s 和1 000 m3/s 兩種工況時龍口處水力參數對比可以看出，流量為550 m3/s 工況龍口水力參數明顯小于流量為1 000 m3/s工況的龍口水力參數，所需最大拋投材料粒徑也有0.7 m之差。在導流隧洞前巖埂較高、分流差的現場條件下，若能控制上級電站泄流、減小來流量是降低截流難度的有效措施。雖說TB水電站與上級電站屬于同一流域梯級公司，但由于上級電站需要保證最低日發電效益，不能完全停機不泄流。經協商上級電站在截流期間下泄單機滿發流量。考慮實際截流前區間流量，結合模型試驗及數值模擬分析，總來流量550 m3/s作為實際截流流量是合適的。

圖5 龍口寬度B=28 m時龍口局部流態圖（10 m巖埂）Fig.5 Local flow pattern with closure gap width B=28 m（height of residual rock is 10 m）

圖6 截流最困難區段龍口水力參數對比圖Fig.6 Hydraulic parameters comparison of the most difficult section of river closure

4.2 截流現場實測數據分析

該工程最終在2021 年10 月25 日進行了截流預進占（流量1 000 m3/s），26日順利完成了截流施工（截流流量550 m3/s）。實際截流施工過程中，也進行了現場截流水力參數的測試記錄。相近龍口寬度時數值計算與實際截流的龍口水力參數對比如表5所示。

（1）通過表5的參數對比分析結果可以看出，數值模擬結果與實測結果十分接近，戧堤落差差別在0.02～0.26 m，隧洞分流比差別在0.85%～6.57%，龍口平均流速差別在0.22～0.47 m/s，龍口單寬功率差別在44～160 t·m/s·m。數值模擬對截流施工提供了有效的數據參考。

表5 龍口特征水力參數對比表Tab.5 Hydraulic parameters comparison of the closure gap

（2）在實際截流過程中，截流拋投強度為11～15 m3/min（原型），平均400～500 m3/h（原型），即為25 t 自卸汽車每分鐘拋投強度為0.3～0.4車，歷時4 h順利截流。

（3）河床地形及堆渣情況也對截流難度有一定的影響。下游河床形成堆渣，戧堤后水位較高，形成龍口處較小的上下游落差，降低了截流施工難度。雖說河床堆渣可以部分降低截流難度，但堆渣進入河床后增加了后續基坑開挖工程量，影響其工期，進而影響到主體建筑物的施工。因此，盡量控制壩肩開挖落渣，不允許其進入河床，同時可在戧堤下游龍口范圍內適當堆渣，降低龍口處水流落差，從而降低截流難度。

5 結論

（1）通過模型試驗以及數值模擬對初設截流方案進行了研究分析。數值模擬與模型試驗流態規律相似，龍口各項水力參數相近，模擬結果合理可信。考慮國內水電截流工程實踐，提出11 月上旬751 m3/s 流量單戧堤立堵截流推薦方案，截流難度適中。

（2）瀾滄江TB 電站樞紐截流工程于2021年10月26日順利實現大江截流。截流現場實測數據與截流前數值模擬結果吻合度高。成果表明所采用的數值計算方法能夠模擬實際截流過程，模型試驗與數值模擬相結合的分析方法可對截流工程的實施提供科學決策依據。

（3）由于上游電站與本電站屬于同一業主公司運營，協調后上游電站進行了下泄流量的控泄，極大程度降低了實際截流難度。在截流施工條件差、隧洞分流受限的情況下采用“控泄助截”模式進行截流，為流域公司運營的電站進行截流設計與施工提供了成功實例參考。