基于水力破壞試驗的和田河臨時溢流土壩設計

吳建軍

(新疆塔里木河流域和田管理局,新疆 和田 848000)

1 概 述

目前,國內用于農業灌溉的土壩水庫惡化嚴重,尤其在和田河流域,需要緊急且具有成本效益的修復[1-2]。此外,每年都有大量的土壩因洪水漫溢超過溢洪道的排水能力或地震影響而嚴重受損,甚至完全失效[3]。為了大幅提高此類小型土壩邊坡在溢流和地震荷載作用下的穩定性,研究人員提出在土壩背部堆放向下傾斜的土袋,并在土壩內部錨固土工合成材料來保護邊坡[4-5]。該系統稱為加長尾部土工袋(GSET),旨在緊急臨時洪水期間,保證溢洪道正常運行。

土工袋系統具有自約束機制,其拉力在土工袋板中被調動,并伴隨著回填土的壓縮而變形。這種機制提高了填充體中的圍壓,使得填充體的強度增加[6]。因此,通過預壓實在土工合成材料土袋內形成較大拉力。堆疊式土工袋系統由于上覆土袋重量的限制作用,可以在溢流中保持穩定[7]。另外,需要通過植被覆蓋等措施,保護放置在下游堤壩上的土工袋外表面免受紫外線照射。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

和田河流域位于塔克拉瑪干沙漠南緣、昆侖山北麓,流域總面積48 870km2。該地區氣候干燥,降水稀少,多年平均潛在蒸發量2 648.7mm,多年平均降水量僅為39.6mm,多年平均氣溫12.8℃,屬于暖溫帶大陸性干燥荒漠氣候。汛期洪水是和田河下游兩岸天然植被水分的直接補給源,多年平均徑流量約43×108m3,其徑流量主要集中在6-9月份的汛期,徑流補給量占總徑流量80%以上,其余時間河道干枯。

2.2 溢流水平

由堆疊的土工袋制成的GSET溢洪道是一種特定類型的階梯式溢洪道,見圖1。隨著溢流量的增加,階梯式坡面水流流態可分為跌落水流、分離水流和自由跌落水流3個溢流水平。跌落水流的特征是在每個土工袋臺階上形成一個推覆體和一個氣囊;分離水流的特征是在每個臺階處形成渦流。

圖1 由加長尾部土工袋制成的基本溢洪道

2.3 水力破壞試驗

通過對高3.5m、寬2.3m的全尺寸GSET溢洪道進行水力破壞試驗,分析各工況下GSET溢洪道的抗溢流穩定性。下游斜率(H∶V)設置為1∶1.2,溢流水平逐級增加。試驗中,觀察不同溢流水平對臺階邊坡的不同破壞模式及侵蝕速率。見圖2。

3 結果與分析

3.1 允許溢流分析

通過觀察3個溢流水平對臺階邊坡的不同破壞模式發現,在2級溢流水平(分離水流,溢流深度0.24～0.32m)時,發生輕微的破壞,包括從土工袋界面之間的空隙中吸出少量的回填材料、穿孔和土工袋的表面屬性;土壩模型加固邊坡的侵蝕發展速率較慢。在3級溢流水平(自由落體水流,溢流深度0.32～0.58 m)時,由于自由落體水流能量較高,水流貫入土工袋發生嚴重破壞;土壩加固邊坡的侵蝕發展速率顯著。

圖3為根據水力破壞試驗結果確定的GSET溢洪道在溢流流量下的水力性能曲線。由于2級溢流水平下的侵蝕發展速度非常低,因此在2級溢流時的允許持續時間非常長,表明GSET溢洪道的穩定性可以保持在2級的臨時洪水中。當溢流水平變為3級形成自由落體水流時,允許的持續時間變短。在溢流深度為0.32～0.50m范圍內時,由于允許持續時間很短,小于180 min,GSET溢洪道的穩定性變得至關重要。

圖3 GSET溢洪道水力性能曲線

3.2 性能設計分析

本節討論GSET溢洪道在洪水穩定性方面的性能設計。通過進行引起故障的液壓溢流全尺寸試驗,評估GSET溢洪道抗溢頂的性能。在此基礎上,提出GSET溢洪道的性能設計。某土壩在現有溢洪道排澇能力不足的情況下,圖4(a)給出了通過增設GSET溢洪道來對土壩進行補救工作的示意圖。圖4(b)為現有溢洪道和GSET溢洪道的橫截面圖,其中B為各自溢洪道的寬度,Δh為現有溢洪道與GSET溢洪道底部高程差,DWL為設計洪水水位。

圖4 通過GSET溢洪道增加排水能力的補救工作示意圖

通過對和田河流域2004年洪水事件導致溢流使小型土壩發生完全潰決的實例,進行GSET溢洪道洪水分析,確定GSET溢洪道寬度BGSET和Δh的取值。該小型土壩的特性值見表1。

表1 小型土壩的特性值

圖5為氣象廳記錄的和田河流域降雨歷史和洪水分析計算的溢流深度。由圖5可以看出,在沒有GSET溢洪道的情況下,估計的溢流深度在很大程度上超過設計洪水水位,現有溢洪道的排水能力不足以應對這次洪水事件。但超過規定的設計洪水水位的溢出持續時間很短,在幾個小時內。

圖5 降雨歷史和洪水分析計算的溢流深度

采用相同降雨事件進行洪水分析計算,得到的現有溢洪道與GSET溢洪道的水位不同高程差時,溢流水深與GSET溢洪道寬度的關系見圖6。本次洪水分析采用水工試驗,得到的GSET溢洪道流量系數為1.5。當本次洪水穩定設計允許的溢流深度和持續時間分別為0.32～0.50m和180min時,圖6中的陰影區可以滿足以下條件:對于設計洪水水位,溢流深度小于0.70m,GSET溢洪道溢流深度小于0.50m,溢流深度范圍0.32～0.50m時的持續時間在180min內。

圖6 GSET溢洪道寬度與溢流深度的關系

在陰影區域內,當A點處Δh=0.20m時,GSET溢洪道的最小寬度為4.0m。確認滿足溢流深度從0.32～0.50m的持續時間是否在180min內的條件下,GSET溢洪道寬度為4.0m,Δh=0.20m,GSET溢洪道溢流口處的溢流深度時程曲線見圖7。由圖7可以看出,該持續時間等于122min,低于180min,滿足條件溢流深度從0.32～0.50m的持續時間在180min內的條件。當GSET溢洪道寬度為12.5m時,僅允許2級溢流水平的設計結果偏于安全。

圖7 GSET溢洪道溢流口處的溢流深度時程曲線

4 結 論

本文在分析溢流深度和持續時間允許組合的基礎上,提出了GSET溢洪道的洪水設計示例。結論如下:

1)在2級溢流水平,溢流深度小于0.32 m的跌落水流狀態下,GSET溢洪道對溢流的阻力足夠大,僅造成較小的損壞。

2)在3級溢流水平,溢流深度為0.32～0.58m的自由跌落水流狀態下,因為鋼筋壩坡的侵蝕發展速度相對較高,GSET溢洪道只能暫時表現出較高的阻力,持續約3h。

3)根據允許的溢流深度小于0.32m進行設計時,實用的GSET溢洪道的寬度約為12.5m。如果在設計中考慮對溢流深度為0.32～0.50m的暫時阻力,則可采用較小的溢洪道寬度。

4)分析結果表明,通過GSET溢洪道對現有土壩的補救工作是有效的。尤其是對于小型土壩,可以設計成針對相對較小的盆地面積造成的短峰洪水。