导截流整体水工模型试验成果报告

1、施工导截流水工模型试验研究报告*2004年 10月第 1 页 共 56 页1 工程概况,52 试验目的及要求 ,63 试验依据,64 模型设计与制造及验证试验,75 试验内容及成果分析 ,95.1 一期导流试验,95.2 二期导流试验,135.3 截流试验 ,166 结论和建议,187 附图、表、照片 ,20第5页共56页1工程概况*水电站位于*境内,是*综合利用规划6个梯级中的第4个梯级。坝址位于 *上游约6.2km处，上游36.2km为*枢纽工程坝址，下游31km为已完建的*枢纽, 距* 约 49.5km,距离* 约 95km。*坝址以上集雨面积1.575万km2,占*流域面积的84%。每

2、年3月进入洪水期， 9月进入枯水期，历年实测最大洪峰流量为13100m3/s,历年实测最小流量为30.50m3/s, 枯水期多年平均流量为190 m3/s0坝址处正常水位河床宽约 263m,主河道位于左岸，河床从左至右逐渐抬高，河床 左侧高程23m,右侧河床高程约30m,河床右岸有较厚的卵石层分布，左岸山体雄厚， 植被茂盛，岸坡较陡。表1坝址各级洪水频率及相应水位表洪水频率P ( %)0.10.20.51.05.0102050流 量(m3/s)271002500022200201001500012800104007090水 位(m)48.5047.5046.1045.0042.1640.883

3、9.4137.33表2施工洪水成果表_ 流量(m3/s)施工时段一一1_5%10%20%50%9月1日至次年3月31日47703870303018309月1日至次年2月28日420033902590154010月1日至次年3月31日429034402610157010月1日至次年2月28日355027702050103010月1日至次年12月31日2820220015206301月1日至次年3月31日3630291022001150*水电站是一座以发电为主，结合航运及其他的综合水利工程，水库正常蓄水位42m,相应库容0.73亿m3,死水位41.50m,相应死库容0.68亿m3,水库具有短时调节

4、 能力。本工程的主要建筑物有：右岸接头坝、船闸、发电厂房、溢流坝及左岸接头坝等 建筑物。大坝顶高程51.10m,溢流坝段长度243m,溢流坝最低建基面高程22.50m,最大坝 高28.60m,最大底宽22m。共设14个溢流孔，每孔净宽14m,堰型采用平顶堰，堰顶 高程27.50m。非溢流坝段总长83m。其中左岸接头重力坝段长 27m,右岸接头重力坝 段长 56m。发电厂房布置在溢流坝右侧，安装转轮直径为 5.20m 的灯泡贯流式水轮发电机组3台，单机容量为 20MW ，总容量为 60MW 。船闸布置于右岸，为单线船闸，闸室尺寸：长X宽X水深=80mX12mX2m,上游引航道长约158m,下游引

5、航道长约271m。施工导流方案：施工导流采用两期三段的导流方案；一期围河道右侧及滩地，施工一、二期结合闸坝纵向混凝土导墙、11#14#闸坝、厂房、船闸和右岸非重力坝段。二 期围河道左侧，施工1#10#闸坝及左岸非重力坝段。2 试验要求及目的2.1 率定原河床不同流量时上 0+300m、0+000m、下0+300m的水位，观测流量为 Q=1500 m3/s、 2610 m3/s、 10400m3/s。2.2 对施工导流各阶段通过不同流量时的流速、 流态等水力条件进行观测， 为进一 步完善导流方案提供试验数据。2.3 对一、 二期基坑施工期导流及通航条件等进行水力观测， 对船舶通航的影响提出改进措

6、施和意见。对一、二期施工导流通航条件进行论证。航道口门区水力条件控制指标一般为：纵向流速 V2.0m/s,横向流速V0.30m/s,回流流速V32m,水深h2.0mo2.4 对导流建筑物 （过水土石围堰） 过水时的水力学条件进行观测， 验证围堰结构 形式是否满足设计要求，并提出改进和优化意见。2.5 通过截流模型试验，为设计提供合适的截流方案。3 试验依据及量测仪器3.1 试验依据3.1.1 SL155 95水工常规模型试验规程。3.1.2 SL163.1 95施工导流模型试验规程。3.1.3 SL163.2 95施工截流模型试验规程。3.1.4 试验合同书 、 任务书及设计单位提供的相关图纸

7、资料、修改通知等。3.2 量测仪器3.2.1 测流量仪器：雷伯克量水堰。3.2.2 测水位仪器：活动测针和固定测针。3.2.3 测流速仪器：直读式电脑流速仪。3.2.4 测动水压力仪器：钢直尺。3.2.5 模型安装用仪器：经纬仪、水准仪。以上仪器设备均经有关部门检定合格并在有效使用期内。4 模型设计与制造4.1 模型设计本模型按重力相似准则进行设计，为正态定床（局部动床）导、截流整体水力学模型，其几何比例尺Lr=80,其他相应比尺如下：流速比尺vr=8.94时间比尺Tr=8.94糙率比尺nr=2.07流量比尺Qr=57243.30重量比尺Wr=512000体积比尺Gr=5120004.2 模型

8、制造模型地形截取范围：上游沿河道长700m,下游沿河道长1200m,模型最大高程为45m。模型地形部分用断面板法安装，断面间隔50cm,用1 : 2水泥沙浆抹面，其精度为1mm, 土石围堰的填筑料用d2000 m3/s时，不满足通航条件。工况1各流量的流速、流态、水位等详见图 1图6。5.1.2.2 工况2原设计方案(1) 基本情况汛期到来之前全部拆除一期半年土石围堰，由纵向碎围堰及重新填筑的上下游过水土石围堰构成新的围堰，开挖基坑，以继续施工11#14#坝、厂房、船闸及右岸建筑物。 工况2的过水土石围堰的堰顶用碎保护，上下游围堰的上下游面均用钢筋笼保护，上游 围堰顶高程为35.60m,下游围

9、堰顶高程为34.95m,上下游围堰的顶宽均为7m,其上下游坡度为1 : 2,下游围堰的中部设有约50m宽的冲水段，缺口用麻袋装沙填筑，当发 生大洪水时由冲水段向基坑冲水。纵向混凝土围堰的顶高程为41m,顶宽5m,纵向碎围堰上端点桩号为上0+105.06m,下端点桩号为下0+126.50m,全长231.56m。详见图7。一期过水土石围堰的运用期为 2年。基坑半年施工。试验流量：Q=2000 m3/s、2610 m3/s、3576m3/s,其中 Q=3576m3/s 为一期过水土石 围堰建成后的最大通航流量。(2) 当Q=2610 m3/s时的流速、流态和水位流速：因纵向围堰的上下游端均超过上下游

10、围堰，故上下游围堰前的流速不大，一 股为0.80m/s,上下游围堰是安全的。受纵堰头部的影响，该处水流收缩，流向偏左， 最大流速为2.73m/s,纵堰左侧从0+000断面以上形成回流，回流流速为1.53m/s,水位：上堰前最高水位为 34.32m,比堰顶高程35.60m低1.28m,下堰前最高水位 为33.98m,比下堰顶高程34.95m低0.97m,从模型水位判断，围堰高度满足要求。3(3) Q=3576 m3/s时的流速、流态和水位流速：上堰前的最大流速为 1.32m/s,下游围堰前的最大流速为 0.5m/s,从流速判 断，上下游围堰是安全的。纵向围堰左侧产生回流，回流流速 2m/s,河床

11、表面的覆盖层 和风化基岩层会有一定的冲刷。水位：测得上堰前最高水位为 35.37m,比上堰顶低 0.23m,下堰前最高水位为 34.80m,比下堰顶低0.15m,模型中上下游土!前水位波动约 0.3m,原型中在风浪作用下 水位波动可能会更大，基坑可能已经进水。建议发生Q=3576 m3/s时，提前向基坑冲水。5.1.2.3 工况2修改方案由于纵向混凝土围堰左侧水流条件较差，为改善此处水流流态，同时也为了节约工 程量，缩减工期，将纵堰上游段从上 0+59.68m开始以20%往上游降坡，高程由41m降 至32m,下游从下0+86.50m至末端平降至35m高程。试验成果表明，该方案达到了使 水流平顺

12、绕过堰头、落差降低，水力条件较好。纵向围堰头部左侧的回流强度有所减弱， 当Q=2610m3/s时，回流流速由原来的2.0m/s降低至1.3m/s。纵向围堰末端经修改后， 流速、流态略有改变。经以上修改后，对围堰的安全没有影响。修改后可节约碎量约32200m3。工况2各流量的流速、流态、水位等详见图7图13。5.1.2.4 工况3原设计方案（1） 基本情况：工况3的围堰与工况2 (修改方案)相同，11#14#闸孔、厂 房、船闸上游导航墙及厂前拦沙堤、1#导墙（厂坝导墙）等均已施工完成，工况 3的流 道为左河道和11#14#孔。详见图14。试验流量：Q=10400 m3/s、7900m3/s。（2

13、） Q=10400 m3/s时流速、流态和水位流速：上游围堰前V=2.83m/s,上游围堰顶V=4.50m/s,上游围堰后V=2.64m/s,由 于厂前拦沙堤的导向作用，水流过上游围堰后，在底部形成一股由右向左（与堰脚平行） 的斜向水流，其V=3.30m/s,这股水流严重冲刷堰脚，对上游围堰的稳定十分不利。同 时由于这股斜向水流比较强烈，导致11#14#孔过流极不均匀，从流速可以看出，14#孔内的流速V=0.60m/s,靠厂房一侧还存在回流，说明14#孔过流量很少，其它各孔的流速一般在3.5m/s左右。水流到达下堰时受围堰的阻挡而流向偏右，其上游面的流速为3.64m/s,下堰顶的最大流速为 5

14、.49m/s,发生在下堰的左侧。下游围堰的下堰脚则有一 股由左向右与堰脚平行的斜向水流，其流速达3.63m/s,这股水流较强烈且流向极不稳定，底部水流紊动强烈，堰脚受到严重的冲淘刷，围堰的安全没有保障。纵堰左侧的最 大流速为5.63m/s,发生在流态恶劣的纵堰头部，该部位的冲刷严重。因此，纵堰的基 础必须放在抗冲能力大于6m/s的基岩上。下游引航道内有一股回流，流速为1.26m/s,洪水期回流可能会将部分泥沙带到下航道内落淤。左岸边的最大流速为5.18m/s,发生在下0+100m区域，由于流速较大，对左岸边坡的稳定要有足够的重视。水位：上堰前的最高水位为 39.98m,堰后的最高水位为39.7

15、4m,落差0.24m,上 堰顶的最大水深4.38m。下堰前的最高水位为39.28m,堰后水位为38.82m,落差0.46m。 纵堰右的最高水位为 40.10m,比纵土1顶低0.90m,纵堰左的最低水位为 38.46m,纵堰 左右水位差为1.64m/s。流态：纵堰头部的上层水流由右向左，左侧底部水流则为正向，此处水流交错，流 态紊乱恶劣。纵堰末端水流由左向右，与过堰水流相互交织，使下堰后左侧底部流态极 不稳定。（3） Q=7900m3/s时流态与Q=10400m3/s的基本相似，流速降低。5.1.2.5 工况3修改方案由于工况3原方案局部地方的流态较差，如上、下围堰后均存在较大的斜向水流， 对围

16、堰的安全十分不利，因此需要进行一些修改，主要的修改部位有：厂前以上部分的 厂坝导墙暂不施工；拦沙堤暂不施工；纵堰末端原降至35m高程的部位，其左侧1.5m宽度（宽度由设计确定）恢复到 41m高程，右侧3.5m宽度仍为35m高程。详见图18。第11页共56页试验证明， 经以上修改后， 整个流态仍然与原方案相似， 但水力条件得到明显改善，如Q=10400m3/s时，上游围堰下堰脚由右向左的斜向流速由3.3m/s下降至ij 2.16m/s,最大流速仍然发生在下堰脚的右侧。下游围堰冲水缺口前的堰脚流速为2.34m/s,方向由左向右。下游围堰的下堰脚左侧的流速为1.60m/s,比原来的3.63m/s下降

17、了近2m/s,可见纵向围堰末端加高到 41m 高程将左右水流分开是有好处的。14#孔过流量仍然很小。左侧河道的流态与原方案相似。综合分析认为：工况3 的修改是合理的，降低了流速、改善了水流流态，但堰脚各处的流速仍然较大，堰脚虽然有钢筋笼保护，但如果水流把覆盖层冲刷后，个别钢筋笼的起动会恶化局部流态，钢筋笼有连片起动的可能，堰脚有可能坍塌，围堰的安全受到威胁。因此建议上、下游围堰的堰脚处钢筋笼应有一定埋深的基础，且基础底的抗冲能力应大于 3m/s 以上。工况3各流量的流速、流态、水位等详见图14图19。5.2 二期导流5.2.1 二期导流原设计方案（定床试验）5.2.1.1 试验工况第三年枯水期

18、进行左岸二期土石围堰填筑，由11#14#闸孔导流，利用二期围堰及一期建成的 4 孔闸坝挡水及发电 （考虑一台机发电，Q=230m3/s） ， 由已建好的船闸通航，通航最低水位为 39.5m。二期导流上游土石围堰的设计洪水标准： P=10%, Q=3440m3/s,时段为10月1日 至次年3月31日，上游计算水位为38.69m,堰顶宽7m,堰顶高程为41m,上游坡1 : 3.5,下游坡1 ： 1.5,上游坡从右端点开始往左30m内用浆砌块石80cm厚护面。二期导流下游土石围堰的设计标准：P=20%, Q=2610m3/s,时段为10月1日至次 年3月31日，下游计算水位为33.95m,堰顶宽7m

19、,堰顶高程为35m,围堰轴线长度 为179.80m,上游坡1 ： 1.5,下游坡1 ： 3.5,下游坡从右端点开始往左30m内用浆砌块 石 80cm 厚护面。纵向围堰为一期已建好的砼围堰。详见图20。5.2.1.2 试验内容（1） Q=2610m3/s 时闸门全开情况下，观测上下游的堰前水位、纵向导墙及4 孔溢流坝下游流态及流速分布、纵向导墙沿程水面线。（2） Q=1500m3/s、 3576m3/s、 2610m3/s 时， 4 孔闸门运行， 上游控制水位为 39.50m， 一台机发电情况下，测定船闸上、下游引航道和口门区流态、流速分布。5.2.1.3 试验成果及分析(1) Q=2610m3

20、/s,闸门全开、机组不过流工况水位：上堰前最高水位为 38.74m,比上游围堰顶高程41m低2.26m,上游围堰前 水位波动值在0.4m左右。下围堰前的最高水位为34.43m,比设计水位33.95m高0.48m, 比下游围堰顶高程35m低0.57m,下游围堰前白水位波动约 0.32m。纵向围堰右的最高 水位为38.72m,比纵向围堰顶低2.28m。流速、流态：厂坝导墙及纵堰头部流态较差，并形成横向水面突降，厂坝导墙在上0+60m断面处，落差达3.68m,流向由右向左。纵堰头部在上 0+80m断面处的落差为 2.24m,流向由左向右，这两股横流流量集中，该处流速达 6.26m/s7.26m/s,

21、将会对厂 坝导墙头部左侧和纵向围堰头部右侧造成较严重的冲刷。上堰前流态较好，流速较小，其最大流速为1.50m/s,发生在纵堰头部左侧，该部位为浆砌石护面，估计围堰是安全 的。下堰前存在大范围回流区，最大回流速为 0.8m/s,流速较小，估计由回流淘刷下堰 脚的可能性不大。11#14#孔前后的流速及尾水渠右侧的流速都很大，其最大流速达 9.53m/s。 远远大于河床的允许抗冲流速，河床将受到严重的冲刷， 同时尾水渠和下游引航道将会严重淤积。(2) Q=2610 m3/s、3576m3/s、1500m3/s 时，利用 11#14#孔闸门控制(闸门开度均为5.2m)上游水位为39.50m,机组一台机

22、发电。a)当2610m3/s时，上游水位比不控制时增加了近1m,上游流态较不控制时明显得到改善，厂坝导墙及纵堰头部的横向水面跌落减少了1.0 m1.5m,闸前流速由6.08m/s下降4.2m/s左右，上游引航道口门区及以上的右岸边为较大范围的回流区，但回流速不大，一般在0.1 m/s0.2m/s,满足通航要求。利用闸门控制过流量，池内流态为淹没底 流，旋滚水体消除了部分水流能量。同时，发电尾水阻碍下游水流向右扩散，减轻了右 岸回流，于通航有利。下引航道口门区及以下的右岸边为大范围回流区域，回流流态很不稳定，时强时弱，有碍通航，下引航道口门区回流速为 0.1 m/s0.2m/s,下0+500m

23、处的右岸边，回流速为0.3 m/s0.6m/s,下0+640m处的右岸边，回流流速达1.17m/s。b) Q=3576m3/s时，上游围堰前水位为 40.96m,比设计水位39.50m高1.46m,比 上游围堰顶高程41m低0.04m。下游围堰前的最高水位为 35.36m,比下游围堰顶高程 35m高0.36m,由此可见，上下游围堰顶高程不满足要求。由于上游水位高，闸门已无 法控制，溢流坝过流为不控制过流，此时已无法按设计要求进行试验。下引航道口门区 及以下的回流较大，不满足通航要求。c)当Q=1500m3/s时，整个上、下游流态较2610m3/s时有很大改善，满足通航条件。5.2.2 二期导流

24、修改方案（动床试验）5.2.2.1 修改情况原方案中消力池以下的流速很大，冲刷将十分严重，同时冲刷物又将会严重淤积尾水渠和下游引航道，但原方案为全定床，无法判断其冲淤程度，因此必须做局部动床试验，以分析了解下游河床的冲淤情况。动床范围：消力池后至下0+250m,右至尾水渠左，左至纵堰右。其中消力池后至一期土石围堰以内开挖至 26m 高程，其余为原地形。动床沙的选择根据设计单位提供的有关资料， 26m 高程以上为砾石覆盖层， 26m 高 程上下为强风化层，由此选定动床范围的允许抗冲流速为： 26m 高程以上 2.5m/s, 26m 高程及以下3.5m/s,根据选定的允许抗冲流速分层铺设动床模型沙

25、进行试验。试验流量Q=1500 m3/s、2000 m3/s、2610m3/s。上游水位均控制39.50m。机组过流 量为 2 台 X176m3/s?台=352 m3/s。试验内容同5.2.1.2。35.2.2.2 闸门局部开启试验，Q=2610m3/s冲刷情况：闸门不同开启度试验之前，曾做过闸门同一开启度的试验，从试验成果看，存在的主要问题是右侧冲刷严重，且水流向右扩散把冲刷物体带到尾水渠内落淤，影响尾水渠的正常运行，这是由于厂坝导墙短造成的。为了改善这不利情况，必须进行闸门不同开启度的试验，经多种不同开度试验表明，中间的12#、 13#孔宜开大开度，两边的 11#、 14#孔宜开小开度，1

26、1#孔比14#孔又可以开大一级的开度，通过多次试验最后确定：11#、12#、13#、14#孔的开度分别为5 m、6 m、6 m、3m。试验结果表明，此开度是合适的，14#孔开小后，单宽流量变小，闸下出流为淹没出流，14#孔护坦末至厂坝导墙末内的冲刷与相同开度时比较有所改善，其冲刷最深点由22.62m提高到23.58m高程，厂坝导墙末以下基本不冲，故未发现冲刷物体进入尾水渠内落淤。其他各部位的冲淤情况基本相同。流态：上游水面平稳，闸前旋涡不明显，闸下出流14#孔为淹没出流，其他孔为自由出流，坝下流态为淹没底流。流速：坝前流速较大，坝上 0+60m流速达4.16m/s,大于允许抗冲流速，且堰面比地

27、形低，估计坝前的冲刷是严重的，如大量的冲刷物被带到下游，则下游的冲淤将会更加严重，尾水渠内的流速一般在1.5m/s,如冲刷物在尾水渠内落淤，再次起动是很困难 的。引航道内的流速、 流态： 上游引航道口门有回流区， 但回流流速不大， 一般在 0.4m/s以内，横向流不太明显，满足通航要求。下游引航道口门区附近是一个回流区，回流流速在0.2 m/s0.4m/s左右，满足通航要求。下游引航道口门区以下回流流速较大，在右 岸边回流速达0.80m/s左右，下引航道内，回流速一般为 0.40.5m/s,不满足通航条件。 Q=1500m3/s、2000m3/s时，整个流态比 Q=2610m3/s好，未见冲刷

28、物进入尾水渠内，也 满足通航条件。 二期导流流速、流态、冲刷详见图20图 25。5.3 截流试验5.3.1 基本工况第三年9月下旬进行截流，截流洪水标准为 P=20%, Q=245m3/s。龙口布置在纵向 碎围堰左侧，截流时采用从左岸往右岸单向进占，立堵截流，截流期间主要由11#14#孔及龙口过流。 上游一期土石围堰全部拆除至原河床。 截流戗堤左端点为： X=0+22.40m ， 丫=上0+76.354m,右端点为X=0+199m, Y=坝上0+33.98m,仓戈堤轴线全长约170.50m, 仓戈堤顶高程为32.30m,仓戈堤顶宽度15m,上游坡1 ： 1.4,下游坡1 ： 1.5。根据材料来

29、 源的实际情况，进占材料以普通开挖石碴为主，以大块石头为辅，尽量不用或少用其他 特殊材料。设计抛投强度为一分钟一车，采用20T自卸汽车，每车约10m317.6t。5.3.2 试验内容 5.3.2.1 分别测试龙口宽度为 60m、 40m、 20m 时的水位、落差、流速、单宽功率等各水 力要素及抛投情况。 5.3.2.2 分析截流过程中对通航的影响。 5.3.2.3 研究一期围堰拆除程度对截流的影响。 5.3.2.4 截流布置及建筑物修改试验。 5.3.3 试验成果及分析5.3.3.1 未进占前根据二期导流的试验成果，一期上、下游围堰拆除至原地面高程，所以在未进占情况下，右侧11#14#孔已经分

30、流，各处流态较好，水流平顺，流速很小，仓戈堤范围的流 速一般在0.30.6m/s,水面无明显落差，仓戈堤轴线处水位为31.06m,水深约2.5m左右， 通航条件良好。5.3.3.2 预进占区预进占区的进占长度为110.50m,约占仓戈堤总长度的65%,龙口宽度为60m,虽然 河道被缩窄了65%，但由于右侧分流条件好，所以龙口的流态没有太大的变化，流速比较小，只有1.0m/s左右，仓戈堤前后的水位差为0.16m,仓戈堤后为大范围的回流，但回流 速小于0.5m/s。预进占区所用材料为d00.1m的普通开挖石石查，由于流速小，落差小， 所抛投的材料未见有流失现象，进占顺利，预进占区共抛投材料约200

31、00m3,进占历时约 35h。从图26可知，龙口及其上下游附近水域的流速为1.0m/s左右，满足通航条件，可以通航。5.3.3.3 I 区I区进占长度为20m,总进占长度为130.50m,龙口宽度为40m,由于预进占区末 的流速和落差都很小，所以I区仍然用 d0.2m大块石先进占，仓戈堤轴线以下用小一级的材料跟进。当进占到即将合 龙时，戗堤与纵堰间仅下一条水槽，形同溪水，底部由于材料的流失而形成纵坡，水浅流急，此时测得流速为2.53m/s,为截流全程最大流速。田区的抛投量为d0 0.2m的材料1536m3, d=0.20.3m的材料1536m3,进占历时约6h。合龙后，测得仓戈堤前水位为 31

32、.46m,比设计的仓堤顶高程32.30m低0.84m,仓戈堤 后水位为31.06m,仓戈堤前、后水位差为0.40m。5.3.4 截流综述5.3.4.1 纵观截流全程， 戗堤进占基本上分为容易和比较困难两个阶段， 从左端点至150m （in区以前）为容易阶段，本阶段龙口宽，落差小，流速小，抛投材料为d0.5m大块石及少量10T左右的钢筋笼。6.6.5 在预进占期间，龙口可以通航，但船只宜靠右岸航行，截流进入I区以后，建 议断航。7附表、照片、图表4二期导流闸门开启程序表序 号Q总 (m3/s)Q机 (m3/s)Q坝 (m3/s)H上 (m)H下 (m)e (m)备注1112#13#d A#1412583352223139.5033.845663闸门在舁 厅P从左至右223343521982