（水力学及河流动力学专业论文）施工导流中围堰及坝体过流水力优化计算.pdf

摘要 摘要 施工导流是水电工程建设中的重要环节之一。过水围堰和导流 隧洞相结合的导流方式对于流量季节性变化悬殊的河流具有一定的 适用性。我国的山区性河流较多，因此这种围堰过流的导流方式在施 工导流工程中较为常用。但是，由于围堰过流通常都会对围堰和坝体 造成冲刷，严重的冲刷会使主体工程受到破坏，造成经济损失。因此， 如何进行围堰和坝体的消能防冲，使围堰和坝体能够安全过流就成为 此类工程中的一个重点问题。 由于施工导流工程的边界条件比较复杂，因此通常采用物理模型 试验对工程设计进行论证。本文结合工程实际对影响围堰和坝体消能 防冲的各种因素，包括过堰流量、坝面高程、下游围堰堰顶高程、坝 面糙率、坝面坡度等进行了分析，并借助水力学知识和计算机语言编 写了围堰和坝体的优化计算程序，并利用浙江滩坑水电站工程对所提 出优化计算程序进行了验证，证明了该程序在没有明显的侧收缩的影 响下，计算结果与实际情况较为吻合。 该优化计算程序能够验证围堰和坝体过流的消能防冲初步设计 的合理性，并可以通过比较不同方案的计算结果，对消能防冲的初步 设计进行优化。主要设计内容包括： 计算上游围堰后消力池的尺寸； 验证泄洪初期坝面高程是否能够满足消能防冲需要； 计算下游围堰堰顶高程，使其满足泄洪期围堰和坝体过流的 消能防冲和工程进度的需要； 计算部分断面平均流速，包括：上游围堰后消力池中收缩断 面的断面平均流速：坝首和坝末的断面平均流速：当下游河道发生水 跃时，计算下游河道的收缩断面平均流速及需要铺设护坦的长度。 根据以上计算所得的各断面平均流速，初步确定需要铺设的 i i 摘要 护面类型。 计算在铺设护面以后坝首和坝末的冲坑深度，以验证护面材 料是否可以抵抗洪水泄流的冲刷。 同时，本文还利用该优化计算程序对文中所分析到的影响围堰和坝 体过流的各种消能防冲因素进行了验证，以图表的形式更进一步的说 明了各种因素的影响方式和程度。主要结论如下： 随着流量的增加，消力池收缩断面弗劳德数减小，消力池的消 能率减小。坝面平均流速增大，坝面的防护难度增加。 坝面坡度的改变，对消能防冲有定的影响。采用以坝体末端 为基准面的坝体逆坡防护时，消力池挖深减小，消能率提高，坝面平 均流速减小，坝区防护难度降低。 坝面糙率对围堰和坝体的消能防冲影响不大。 抬高下游围堰可以使下游分担更多的消能任务，减轻坝区的 冲刷和消力池的消能负担。但下游河床的冲刷加大，防护工作增加。 降低坝体可以减小消力池的挖深，降低坝面流速和坝面的防 护难度。 关键词：施工导流过流围堰过流坝体消能防冲优化 a b s t r a c t r i v e rd i v e r t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o ni st h eo n eo fi m p o r t a n tt a c h ei n t h ep r o j e c to fh y d r o p o w e re n g i e e r i n g o v e r f l o wc o f f e r d a ma n di v e r s i o n t u n n e la r eu s e do f f e nt od i v e r s et h ef l o we s p e c i a l yw h e r eo rt h er i v e r d i s c h a r g ec h a n g i n gw i d e l y t h e r ea r em a n y r i v e r si nm o u n t a i n o u sa r e ai n o u rc o u n t r y ，s ot h isk i n do fc o f f e r d a mi su s e dr e l a t i v e l yf r e q u e n t l yi n r i v e rd i v e r t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o n w h i l eo v e r f l o wc o f f e r d a misu s e d ， t h ec o f f e r d a ma n dd a mw i l lf a c ea ne v o s i o np r o b l e mb yt h ef l o wp a s s e d o v e ri t a n di ft h es c o u ri st o os e r i o u s ，i tw i l lb ed i f f i c u l tt o p r o t e c t m a i n p r o j e c t f r o m d e s t r o y a n dc a u s ee c o n o m i c a l1 0ss t h e r e f o r et o d i s s i p a t et h eu n w a n t e de n e r g ya n d t om a k et h ec o f f e r d a ma n dd a mc a n m o v es a f ea g a i n s ts c o u rc a u s e db yf l o wi so n eo fc o n m m o n p r o b l e m s f a c e db yt h i sk i n do f h y d r a u l i ce n g i n e e r s s i n c et h eb o u n d a r yc o n d i t i o no fr i v e rd i v e r t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o n p r o j e c ti sv e r yc o m p l e x ，s op h y s i c a lm o d e lt e c h n e i c sa r eo f t e nu s e dt o c h e c k o u tt h ed e s i g n i nt h i s p a p e rad a t e f r o ms o m er e a lp r o je c t sa r e u s e dt o a n a l y s e t h ef a c o r st h a tw i l l a f f e c tt h e e n e r g yd i s s i p a t i o na n d e r o s i o np r e v e n t i o n ，s u c ha sf l o o dd i s c h a r g ea c r o s st h ec o f f e r d a m ，c r e s t e l e v a t i o n ，d o w n r i v e rc o f f e r d a m ，r o u g h n e s sc o e f f i c i e n ta n dt h eg r a d i e n t o ft h es u r f a c eo fd a m ，a n ds oo n i nt h i s p a p e r ，t h ep r o g r a mb a s e do n h y d r a u l i c s isc h e c k o u t b y t h e t a n k e n gw a t e r p o w e rp r o j e c t i n z h e ji a n g t h er e s u l t sp r o v et h a tt h i sp r o g r a mc a nb eu s e dt od e s i g na n y p r o j e c tw h e r et h e r eisn oo b v i o u ss i d es h r i n k i n gp h e n o m e n a t h e p r o g r a m e u s e d o p t i m i z a t i o n v a l i d a t ew h e t h e rt h ed e s i g n o n e n e r g yd i s s i p a t i o na n de r o s i o np r e v e n t i o no fc o f f e r d a ma n dd a mi s i n r e a s o n ，a n di t c a nc a m p a r et h er e s u l t sf r o md i f f e r e n tp r o j e c t st os e l l e c t t h eb e s to n e c a l c u l a t et h es t i l l i n gb a s i n s d i m e n s i o n v a l i d a t ew h e t h e rt h ec r e s te l e v a t i o nc a nm e e tt h e r e q u i r e o f e n e r g yd i s s i p a t i o na n de r o s i o np r e v e n t i o nd u r i n gt h eb e g i n n i n gp e r i o d o ff l o o dd i s c h a r g e c a l c u l a t et h ea l t i t u d eo fd o w n r i v e rc o f f e r d a m a n dm a k ei tm e e tt h e r e q u i r eo fe n e r g yd i s s i p a t i o na n d e r os i o np r e v e n t i o n c a l c u l a t es o m ea v e r a g ev e l o c i t y o ff l o w t h r o u g h s o m e s e c t i o n s ，i n c l u d i n gc o n t r a c t e ds e c t i o n i n s t i l l i n g b a s i n sb e h i n du p r i v e r c o f f e r d a m ，i ft h eh y d r a u l i cj u m ph a p p e ni nl o w e rr e a c h e so f t h er i v e r ，t h e p r o g r a m w i l lc a l c u l a t et h e a v e r a g ev e l o c i t y o ff l o wo fc o n t r a c t e d s e c t i o na n dt h el e n g t ho ft h ea p r o n a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e da v e r a g es e c t i o nv e l o c i t y ，w ec a nd e c i d e t h et y p eo ft h er e v e t m e n t w h e nt h es c o u rh o l e d e p t h o ft h ed a mh e a da n dt r a i l p a r t s is c a l c u l a t e di n t h ep a p e r ，w ec a nv a l i d a t ew h e t h e rt h er e v e t m e n tm a t e r i a lis s t r o n ge n o u g ht or e s i s tt h ed e g r a d a t i o no ft h ef l o o df l o w t h i s p a p e rp r e s e n t s a n o p t i m i z e dc o m p u t e rp r o g r a m t o a n a l y z e d i f f e r e n tf a c t o r st h a tw i l l a f f e c tf o r e n e r g yd i s s i p a t i o n a n de r o s i o n p r e v e n t a t i o nw h i c hi se s p e c i a l l yi m p o r t a n ti nd e s i g no f c o f f e r d a m s t h e g r a p h i ci nt h i sp a p e ra l s os h o wt h em a n n e ra n dd e g r e eo ft h ee f f e c tt h a t c a u s e db yt h e s ef a c t o r s i tw a sf o u n df r o mt h eo b t a i n e dr e s u l t st h a ti n c r e a s i n go ff l u xw i l ll e d t od e c r e a s ei nf r o u d en o o ft h ef o l l o w i n gw a t e ra tt h es h r i n k i n gs e c t i o n w h i c hw i l lr e d u c er a t eo f d i s s p a t e de n e r g y ，t h i sw i l lm a k e t h ep r o t e c t i o n o fd a ms u r f a c em o r ed i f f i c u l t t h ec h a n g i n gi nd a mg r a d i e n ta f f e c t st h ee n e r g yd i s s i p a t i o na n d e r os i o np r e v e n t i o n t ou s et h ea t h w a r tg r a d i e n tp r o t e c t i o nw h i c ht a k e s t h ee n do fd a ma st h ed a t u mm a r kw i l lr e d u c et h ed i g g i n gd e p t ho ft h e s t i l l i n gb a s i n si sr e d u c i n g ，a n di n c r e a s et h ee n e r g yd i s s i p a t i o nr a t e t h e a v e r a g ev e l o c i t yo ff l o wp a s s i n go v e rt h ed a mi sa l s od e c r e a s e d ，s ot h e p r o t e c to f t h ed a ms u r f a c ei sl e s sd i f f i c u l t t h er o u g h n e s so ft h ed a mb o d yh a sal i t t l ee f f e c to nt h e e n e r g y d i s s i p a t i o na n de r o s i o np r e v e n t i o n e n h a n c i n gt h ed o w n r i v e rc o f f e r d a mw i l lm a k et h el o w e rr e a c h e so fa r i v e rd i s s i p a t em o r ee n e r g y h o w e v e r ，i tw i l li n c r e a s ee r o s i o na n dt h e p r o t e c t i o nw i l lb em o r ed i f f i c u l t l o w i n gd o w nt h e d a mb o d yw i l lr e d u c et h e d i g g i n gd e e p o ft h e s t i l l i n gb a s i n ，d e c r e a s et h ev e l o c i t yo ff l o wo n t h ed a mb o d ya n dc u tt h e d i f f i c u l t i e so ft h ep r o t e c t i o no ft h ed a ms u r f a c ed o w n k e y w o r d s ：r i v e rd i v e r s i o n d u r i n gc o n s t r u c t i o n ，o v e r t o p p e d c o f f e r d a m ，d a m e n e r g yd is s i p a t i o n ，e r o s i o np r e v e n t i o n ，o p t i m i z a t i o n 璺堡墨塑竺塾堡塑丝堕苎垡垡茎茎 1 。1问题的提出 第一章绪论 施工导流是水利水电工程施工过程中对河流流量控制措施的简称， 它包括导流、截流、拦洪、蓄水、泄洪等川。导流工程与枢纽建筑物施 工条件、工程建设进度密切相关，并且影响其他国民经济部门的利益。 因此，在水利枢纽工程建设过程中妥善地做好施工导流工程非常关键。 施工导流工程的主要设计内容包括：导流方式的选择和导流标准的 确定。主要设计依据为枢纽总体布置、大坝及泄水建筑物的型式和尺寸。 导流标准主要依据大坝和厂房等被围护建筑物的等级，按照设计规范确 定。整个工程的设计要求保证良好的水力条件，因为不良的水力条件不 仅会导致导流期下泄流量减少，而且还会威胁到永久建筑物的安全【2 j 。 施工导流的过程，大致可划分为前、中、后期三个阶段：第一阶段是从 河床截流开始，河水改由导流泄水建筑物下泄，至坝体建筑上升至围堰 高程以上，在这期间的导流可称为前期导流；第二阶段是原前期导流的 泄水建筑物还未封堵，汛期靠坝体拦挡，在这期间的导流可称为中期导 流；第三阶段是将原导流泄水建筑物封堵后，枢纽建筑物施工尚未完建， 在此期间的坝体拦洪渡汛安排称为后期导流。在前期导流阶段，一般可 分为一次围堰断流式导流和分期围堰导流( 简称分期导流) 两大类型， 并按泄水建筑物的型式，又可分为明渠导流、隧洞导流、涵管导流、渡 槽导流等型式。在中、后期导流阶段对于混凝土坝或圬工坝，有底孔导 流、隧洞、梳齿或缺口导流及利用永久泄水建筑物导流等8 种主要方式 2 1 我国的山区性河流较多，这种河流一般比较窄，洪水汇流历时短， 并且陡涨陡落，峰尖量大。因此在前期导流阶段，经常采用导流隧洞和 过水围堰相结合的导流方式。采用这种导流方式还可以缩小围堰和导流 设施( 如隧洞) 的高度和规模。围堰采用土石型式时，还可以就地取材、 节省投资和缩短工期。据统计，选择导流隧洞和过水围堰相结合的导流 方式可以节约导流工程资金的2 0 5 0 以上e 3 】。但是如果采用过水围 堰，汛期坝体将会过流，因此对坝体可能会产生一定的破坏，过流后需 要恢复基坑和坝面，重新修整施工道路，增加了施工组织和设计的复杂 性和难度。如果设计施工不够合理，过大洪水时严重的冲刷会使围堰被 冲毁，主体工程遭到破坏，延误工期，造成严重的经济损失。所以，前 箜= 兰堕堡 一一一 期导流采用过水围堰和导流隧洞相结合的导流方式时，导流时段的划 分、导流流量的选择、导流方案及措施的拟定等，均要进行审慎的研究a 在主体工程可以安全渡汛的基础上，确保最大限度的满足施工总进度的 要求。合理和现实的导流方案，有利于加快施工进度，使工程施工稳步 前进。 综上所述，过流期间的坝体和围堰的安全性关系到整个施工导流工 程的进度和各部门的经济利益，存在一定的风险性。因此采用过流围堰 的导流方式时，如何设计围堰和坝体的形式，如何安排工程进度和采取 什么样的消能防冲措施，才能够使围堰和坝体在泄洪期安全过流，并且 加快工程进度，降低工程投资，取得较高的综合效益是此类施工导流工 程中需要重点研究的问题。本文以此为出发点，期望通过数学模型的计 算为过流围堰和坝体的消能防冲初步设计提供更多的理论依据。 1 2 国内外过流围堰的发展及研究概况 国内外施工导流工程中围堰采用过流形式的工程很多，因此在过流 围堰和坝体的结构型式，以及相应的消能防冲措施方面开展了很多相关 的研究。基于本文的研究重点，以下所举工程实例均采用过水围堰。 1 2 1国内外过流围堰的发展概况 a 国外过水围堰工程介绍 1 9 6 6 年加纳在v o l t a 河上建成了a k o s o m b o 心墙堆石坝，坝高 1 1 2 ，7 3 m ，坝长6 4 0 m ，坝顶高程为8 8 3 6 m ，坝址覆盖层较深，非汛期水 深大。上下游土石堰分别结合为坝体的坝踵及坝趾部分，左岸为直径 9 1 4 m 的导流洞，导流洞泄流能力为7 1 0 m 3 s 。上游围堰堰顶高程为 1 4 3 m ，高度为3 2 6 m ；下游围堰堰顶高程为17 7 3 m ，高度为6 8 8 8 m 。 圈堰挡枯水期洪水，大汛期流量分别达到8 6 5 0 m 3 s 和1 2 9 0 0 m 3 s ，后者 约为1o o 年一遇洪水。1 9 6 2 年洪水对坝体无重大影响；1 9 6 3 年坝体过 流型式为东侧坝体形成缺口，西侧坝体1 2 2 m 继续施工，东侧缺口准备 形成两部分泄水槽过流。渡汛保护措施为：在上游面及下游面设铺盖护 坡，缺口都用6 层0 1 2 7 m m 厚、平面尺寸1 2 2 m 1 2 2 m 的塑料薄膜防 渗，压以o 9 2 m 0 9 2 m 2 7 5 m 钢筋石笼。汛期开始时，东部宽8 5 3 4 m 2 围堰及坝体过流消能防冲优化计算 泄槽过流流量为2 8 0 0m 3 s ，相应的单宽流量约为3 6 m 2 s ，没有产生任 何问题；当泄流量升至5 9 2 0 m 3 s 时，槽长3 9 7 m 的落差为6 1 m ，相应的 流速为1 1 1 2 m s ，坝面保护材料由下游向上游逐渐破坏，最后全部破坏。 四个星期后，西槽开始形成放流，流量达1 2 9 0 0 m 3 s ，顺利过流。事后 检查发现，大约3 0 6 1 0 4 m 3 堆石被冲走，相当于沿缺口被清除9 1 4 4 m 宽、15 2 4 m 高的堆石料，另外，在东泄水槽内还有6 1 m 基础页岩被冲 走。 由此，可以看出该工程中采用了泄水槽泄流，槽内水位落差较大， 因此产生了较高的流速，同时由于采用的防护材料抗冲流速不能满足工 程需要，再加上过流时间长达四个星期，因此造成了较为严重的冲刷。 一方面说明采用泄水槽泄流会加大局部流速，需要加大防护力度；另一 方面说明，钢筋石笼在流速大于1 0 m s 情况下保护失效。同时，也可以 从该工程中发现，过流流量、流速大小以及冲刷持续的时间长短都与冲 刷的强弱程度有关。 但是如果过流期间防护措施得当，即使过流强度大、持续时间长也 可以安全渡汛。如澳大利亚奥德堆石坝，坝高9 9 m ，右岸仅有一条直径 为4 4 3 m 的灌溉隧洞可供结合施工导流用，当坝体堆筑高度大致与原河 床一致时，坝体用块石护面，下游侧用双层钢筋网加固堆石体过洪。双 层钢筋网的直径均为2 5 4 m m ，其孔眼尺寸，底层为1 3 m o 4 5 m ，上层 为0 15 2 m 0 15 2 m 。1 9 7 1 年3 月2 1 日通过了5 6 7 0 0m 3 s 的施工洪水， 坝面最大水深1 0 5 m ，平均流速4 5 m s 。汛后检查，有些钢筋网遭到破 坏，堆石体的沉陷甚微，仅有3 e m ，渡汛时安然无恙。保加利亚几个电 站下游采用重型石笼护面的土石围堰，也做到了汛期安全过水。卡博 拉巴萨( c a b o r a b a s s a ) 河上的工程，导流围堰采用4 0 m 高堆石围堰， 上游围堰用混凝土护面。围堰过水达4 星期之久，洪峰高过围堰堰顶4 m ， 建筑物的性能良好，没有造成严重的冲刷【“。 以上工程主要从采取防冲措施的角度进行安全渡汛，事实上，改善 水流条件也是安全渡汛的另一个重要措旌，如：印度巴里梅拉( b a l i m e l a ) 坝枯水期以一条导流隧洞连结导流明渠，在雨季施工中发生了一次特大 洪水，致使正在施工的高度仅达13 m 的坝体过水；但因下游围堰形成了 3 第一章绪论 一个水库，这次过水没有造成什么损失。因此，可以看出下游水流条件 的改善有利于坝体过流。 以上对国外工程实例进行了简要介绍，可以对过水围堰中的工程措 施有初步的了解。以下详细列举一些国内工程实例，以对此问题有更深 入的了解。 b 国内相关工程实例 西北口堆石坝位于长江支流黄柏河东支中游宜昌境内，最大坝高 9 5 m ，坝顶长2 2 2r f i ，坝顶宽8m ，坝顶高程3 3 0 5m 。上下游坡l ：1 4 。 由于料场规划及坝体填筑规划以及上坝运输道路等未能全面落实。因此 采取了应急措施，降低坝体堆石填筑高度，采取坝体过水渡汛。将堆石 体填筑高程由原计划的3 0 0 m 降为2 6 7 m ，坝面用大块石保护，下游用钢 丝绳将特大块石3 或5 个连成串，再用钢筋连成大串锚于两岸；坝下游 坡外增填块石，其表面纵坡l ：8 5 ，到河床外3 0 m 铺筑l m 厚的块石，形 成柔性海漫防冲。当年8 月2 8 日入库流量4 0 0 m3 s ，流量较小，水位升 至2 6 7 1 l m ，水流从坝面石块缝间渗流安全过水1 5 】。在该工程中采取了 降低坝面高程的应急措施，同时加以适当的过流保护，达到了安全过流 的目的。因此，降低坝面高程也是坝面安全过流的措施之一。 位于广东省阳江市境内的大河水库采用钢筋混凝土面板堆石坝结 构型式，最大坝高6 9 5m ，初期导流由枯水期围堰挡水、汛期坝面和导 流隧洞联合泄流。上、下游围堰均采用土石过水形式，围堰上游为干砌 石护坡，堰顶及下游坡采用混凝土块、钢筋块石笼保护。该工程中，坝 体下游坡面、坝体下游坡脚及河床部位的保护是关键。其中坝区的保护 方案是将坝区修成明槽形式。坝面堆石区属主体建筑物，安全要求高， 尤其是坝体下游坡面是整个工程渡汛保护的关键部位。但是，该工程中 坝体已先行填筑，陡坡上的防护难以实施，因此只在下游坝坡后用堆石 填筑成一个较缓的边坡并加以适当保护。坝体下游坡脚处水流即使在淹 没水跃的状态下，流速仍较大，采用了块石护坦进行防护。由于水流紊 动会破坏块石的力的平衡等因素，同时为便于施工，采用块径大于5 0 c m 的块石，长2 0 m 的护坦加以保护。1 9 9 6 年汛期，最大一次洪水的大坝前 缘水位为6 9 6 m ，过流流量为5 0 0 t a 3 s ，没有对大坝造成破坏【6 】。这说明， 该工程中坝面采用泄水槽过流的形式，减少了大坝两侧的“滩地”过流， 有利于两岸边坡的保护。对于坝体下游坡脚处，由于泄水槽集中过流而 流速较大，因此进行了重点保护，达到了安全渡汛的目的。 围堰及坝体过流消能防冲优化计算 珊溪水库位于浙江省文成县境内，主要建筑物有混凝土面板堆石 坝、溢洪道、泄洪洞、引水发电隧洞、发电厂房及开关站等组成。年内 洪枯流量差别较大，施工导流采用围堰断流、隧洞导流的方式。水库上 游围堰按士石过水围堰设计，堰顶高程6 3 0m ，最大堰高2 0m ，堰顶 长2 8 0m 。堰顶及下游坡面采用厚0 8m 混凝土面板及厚0 8r f l 钢筋石 笼护面。下游围堰原设计为非汛期挡水、汛期冲毁结构设计。1 9 9 8 年3 月8 日围堰旅工过程中发生罕见超标洪水，上游围堰右端冲开一个大缺 口，底部宽1 1 4m ，最深冲坑至4 91 1 1 高程，下游围堰全部冲毁，防渗墙上 部冲坏最深达4 5m 高程。为确保基础防渗嫱的安全，同时为19 9 8 年汛 期施工创造条件，将下游围堰改为过水围堰。同年6 月2 0 日，坝体再次 过水，洪水最大流量2 2 7 0 m3 s ，上游围堰最高水位为6 4 7 5 m ，通过坝面 最大流量约l 1 0 0m 3 s ，历时3 d 。过流后对上游围堰进行检查，没有产 生大的破坏，仅坝面堆石区表面0 2 m 厚左右局部有细料冲失f7 。在该工 程中还依靠天然过水过程向坝区冲水，达到了冲水保护坝区的目的。从 过洪期的冲刷状况看，围堰与两岸坡基岩连接应当平顺，以避免过堰洪 水在下泄过程中造成水流流态的紊乱，从而加重对护面材料的掏刷。 水布垭水电站位于湖北省恩施州巴东县境内，地形地质条件复杂。 大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高2 3 3m 。根据坝址地质、地形条件、 水文特性及枢纽布置，选定一次性断流围堰隧洞导流的导流方式，表1 1 为其坝面及堰面溢流计算水力学特性参数【s 。在该工程中，下游石过 水围堰与坝体结合，形成了良好的坝面过流流态，减少了大坝下游坡防 冲保护工程，但坝体填筑上升后，下游围堰防渗体与浇筑混凝土面板及 大坝运行期间会对下游排水造成一定的影响。 表1 1 水布垭混凝土面板堆石坝坝面及堰面溢流计算水力学特性 天生桥一级水电站位于广西、贵州交界的南盘江干流上，最大坝高 17 8 m ，坝顶长为1 1 6 8 m 。洪桔流量比高达1 0 0 倍，采用过水围堰与两条导 流隧洞联合导流的旖工方案。1 9 9 4 年1 0 月，天生桥级水电站1 号导流洞发 生大规模塌方，无法参加导流。为此，将原计划的双洞截流改为单洞截 流。在单洞导流情况下，若维持堰顶高程不变，上游围堰堰面最大流速 4 一 第一章绪论 增加到1 0 5 3 m s ，下游围堰堰面最大流速增加到9 4 7 m s 。两围堰承担的 渡汛总水头落差由双洞导流的5 9 m ，增至9 3 m 。加大了围堰渡汛保护难 度。根据堰型特点，将上游围堰的堰后消能平台定在6 4 5 m 高程，比下游围 堰堰顶高程低2 2 m ，围堰过水时消能平台有足够的水垫深度，为上游围 堰实现底流消能创造了条件。堰顶和挑流平台均采用厚1 o m 的钢筋混凝 土护面。堰顶至消能平台的斜坡段采用平均厚度0 9 m 的混凝土楔型体保 护。沿混凝土面设置直径为l o c m 的排水孔，尽量降低板底渗透压力。与围 堰相接的左右两岸采用厚1 o m 的块石铅丝笼护坡。为使围堰第一次过水 时不冲刷堰脚，利用初期来水流量对基坑进行预充水。1 9 9 5 年汛期，由于 受二级电站水位影响，下游堰脚承担的水位降低，下游围堰所承担的落 差和过堰流速大大超过设计值，下游围堰产生局部破坏。从1 9 9 5 年第9 次 洪水过堰运行情况分析，下游围堰发生局部破坏的原因主要在于下游水位 的影响。消能平台高程6 4 3 o m 和实际下游水位比较偏高太多，以致在渡汛 抗冲刷方面受到了二级电站汛期运行水位的制约。l9 9 6 年，加强了堰体 的保护措施，两条导流洞均投入运行，围堰过水7 次，过堰水流平缓，未 出现任何险情。上游围堰由于有下游围堰的保护，基本不受二级电站运行 水位影响，经过1 9 9 5 年1 2 次，1 9 9 6 年7 次过水，过堰水流平稳，没有发生破 坏【9j 。该工程中采用了消能平台减小上下游水位落差，创造了堰后进行 底流消能的条件。但由于消能平台高程确定不当造成了下游围堰在过流 期间出现险情。因此，根据实际情况恰当确定消能平台的高程非常重要。 同时，下游围堰的安全对于坝体的安全渡汛非常重要，如果下游围堰被 冲毁，上下游的全部水头落差都会集中在上游围堰。以至危及整个工程 的安全渡汛。 以上列举的部分国内外工程实例虽然各具特点，但在消能防冲措施 的采用上有相同之处。一方面要尽可能的形成较好的水流衔接，如选择 坝( 堰) 体适当的高程，使过坝( 堰) 下泄的水流与下游水流以淹没的 形式衔接：另一方面是采取必须的护面措施，护面材料的抗冲性能要能 够抵挡洪水过流的冲刷。但是由于增加护面设施会加大施工难度和工程 投资，因此上述工程中有部分工程还采用了坝面设置泄水槽的过流方 式，这样就避免了坝区周边过流，省去了对坝区周边的防护，而泄水槽 部分需要重点防护，因为这里水流比较集中，流速更大。任何措施的选 择都要通过综合比较得出结论，对于具体工程，要确切地掌握其工程特 点、因地制宜、就地取材、因势利导地作出既现实又经济合理的计划。 璺堡墨塑竺塾鎏塑堂堕登垡堡生苎 1 2 2 围堰及坝体过流消能防冲方法的研究概况 采用过流围堰与导流隧洞相结合的导流方式时，上下游围堰和坝体 在过流期间都会受到不同程度的冲刷。从以上工程实例，结合水力学相 关原理，可以总结出围堰和坝体通常容易受到冲刷的部位有：上下游围 堰的堰面、下游坡面及堰脚：坝体上下游坡面、坡脚、坝面及河床两岸。 另外，如果下游围堰较高，下泄的水流会冲刷下游河床，对下游围堰的 安全构成威胁。如上所述，从改善水流条件和提高抗冲能力的角度有很 多相应的措施和方法。 从改善水流条件的角度，通常是对坝( 堰) 体的结构型式进行调整， 如围堰设置上下游平台，并控制适当的堰坡和下游围堰堰顶高程以及坝 体的填筑高度。福建省周宁县境内的芹山水电站的建设过程中，对坝高、 坝坡对消能防冲的影响进行了相关的实验研究。实验中，坝顶高程采用 6 6 5 m 、6 6 0 m 、6 5 5 m 三种方案，经过试验发现坝面高程降低后，上下游水 位落差大幅度减小，下游坡脚水流入池流速减小约2 0 ，动能减少约 3 5 ，坝后水流流态明显改善。同时，随坝高的降低，坝面的流态也明 显改善，流速分布均匀，左右岸水位明显下降。因此坝高的变化明显影 响坝体泄洪的水力特性，坝高的降低将有效地降低渡汛防护的难度。在 坝坡实验中发现，采用顺坡防护方案后，降低了上下游水位差，在相同 的工况下下泄洪水对下游河床的冲刷较倒坡方案减轻约6 6 ，但由于坝 面流速的增大，洪水对坝面的破坏也加剧，增加了坝面防护的难度和坝 面的防护费用【i “。诸如此类结合工程实际对具体消能防冲方法的研究， 对同类工程中消能防冲措施的选择提供了一定的理论依据。 此外，对于坝区的保护，通常可以采用的方法有前面提及的设置泄 水槽过流和基坑冲水等。基坑冲水保护通常的实施办法是：在渡汛前让 下游围堰形成缺口，上游围堰未过流时，导流洞或导流明渠的下泄水流 从下游回灌基坑，产生水垫。这种方法可以使过堰水流壹接产生水跃状 态，避免冲击下游坡面的现象发生 1 ”。根据国内外同类工程过水实测资 料和部分水力模型试验，坝面流速小于3 m s ，说明冲刷危害不大，可以 不必设置防冲设旌。般仅需在过水后表层清淤，铺填碎石，重新碾压 后即可继续填筑加高。 从提高抗冲能力的角度，工程中通常采用各种不同抗冲强度的护 面，如块石护面、混凝土面板( 包括混凝土楔形体) 护面、碾压混凝土 护面、铅丝笼护面、加筋护面等等。从国内外己建工程过水围堰和土坝 第一章绪论 的护面状况来看，过水堰面经过溢流考验的流速通常可以达到：直径超 过1m 的大块石抗御流速超过8m s ；直径0 4 2m 的块石为4 3 m s ： 块石加钢筋网护面抗御流速超过4 5 5 5m s ；直径1i l l 的铅丝笼达到 1 4 5 2 m s ：沥青混凝土加玻璃丝布护面可抗御流速1 6 17 m s ；透水混凝 土面板可抗御流速超过13 m s ；厚度0 5 m 的混凝土楔形板护面抗御流速 超过l 2 5m s ；厚度0 7 m 的楔形板抗御流速可达1 7 - 2 3 m s 。就单宽流 量而言，各种护面经过溢流试验的单宽流量是：块石可超过5 l m2 s ；铅 丝笼( 0 ，9 2 m 0 9 2 m 2 7 5 i n ) 可以超过3 6 m 2 s ，块石加钢筋网护面并 与坝体锚固可达4 6 m2 s ；沥青混凝土达1 1 m2 s ：碾压混凝土达9 6 m2 s ； 混凝土楔形板可达10 5m2 s 。良好的施工质量可以使各种护面的抗冲流 速与单宽流量进一步提高】。因此，很有必要了解护面材料在不同的外 界条件下的稳定性。相关的理论和试验研究目前也有很多。如肖焕雄在 文献 1 中，对过水堆石围堰下游边坡护坡块石的稳定性和过水围堰下游 边坡混凝土护坡板的稳定性都进行了分析和研究。徐天友等人在文献 13 中也分析讨论了钢筋笼在实际应用中的失稳临界条件。诸如此类针 对各种护面方式的研究和试验为施工导流工程中护面类型的选择和施 工方式的确定提供了更多的理论依据。表1 2 是国内外土石坝过洪资料 】，从中可以看出，围堰枯水期挡水，汛期过流，坝体达到一定的高度， 同时给予适当的保护，安全过流完全是可以的。但是单纯的利用增加护 面材料的方法来防止冲刷，一方面会增加工程投资，另一方面也会增加 施工的复杂性。因此，应当从改善水流条件和提高抗冲能力两个方面综 合考虑，找出最经济合理可行的方案。 表1 2国内外土石坝过洪资料 8 围堰及坝体过流消能防冲优化计算 序 号 工程 名称 坝型 国家过水时高防冲措施 ( m ) 坝体过流孥顶过洪产生的 量( ms s ) 水深 影响 ( i n ) 4努列克苏联 土石坝 大块混凝土护面1 8 6 05 2 0 s 鬻苏联 6 澳德 澳大利 皿 土石坝 l6 木笼及1 8 1 5n 屯 巨石串钢筋 7 0 0 09 堆石坝 2 8 钢筋网加固5 6 0 0l0 5 ， 瓦菩荔德 墨西哥堆石坝钢筋网加固 s 鬻斛 9 古刚 澳大利 亚 10 波罗那 澳大利 亚 第二次洪 水2 2 6 5 堆石坝 1 8 5 钢筋网加固1 1 3 437 堆石坝 1 l 堆石坝 1 0 钢筋网加固3 堰顶降低一 米。混凝七 板下局部冲 深2 m 由于淹没过 流落差小， 上游围堰无 损坏，下游 产生1 0 米 冲坑 过洪后有些 钢筋有破 坏，堆石体 沉陷3 厘米 过洪后有些 钢筋变形轻 微凸起，第 三次过洪有 相当人破坏 由于右岸有 一凹陷产生 集中水流， 将松散堆石 冲成3 0 1 0 的缺口 隋况良好， 无明显破坏 钢筋网加固8 5 03 9 堰体无破坏 1 3 本文研究的目的、方法和主要内容 综上所述，围堰采用过流形式时，围堰和坝体的消能防冲是此类工 程中需要重点研究和慎重设计的方面。通常采用物理模型验证围堰和坝 体的初步设计是否可以达到安全过流目的，本文将通过数学模型的计算 来完成这一验证过程，同时通过方案间的比较提出更好的改进措施。 第一章绪论 本文的主要研究方法是：以水力学及水工建筑物的相关知识为基 础，通过分析现有工程实例总结影响消能防冲的各种因素，将基本影响 因素纳入上下游围堰之间的消能防冲计算过程中，建立数学优化计算模 型。并利用计算机语言编制计算程序。最后通过已有工程实例对所设计 的数学模型的正确性和适用性进行验证。 主要研究内容包括： a 根据水力学及水工建筑物理论和已有工程实例分析影响过流围 堰消能防冲的因素。 b 确定过流围堰消能防冲优化目标、约束条件及优化参数，并建 立过流围堰消能防冲的优化计算模型。 c 编写优化程序，并结合实际工程，验证程序的合理性和适用性， 并针对具体工程通过综合比较计算结果提出更优的方案。 d 利用优化计算模型，对影响消能防冲的各因素进一步进行分析， 并采用图表的形式阐明这些因素的影响方式和影响程度。 围堰及坝体过流消能防冲优化计算 第二章影响围堰及坝体过流消能防冲的因素分析 2 1引言 施工导流工程的设计和施工受当地的地形、地质、洪水、降雨、气 温等自然条件的直接影响，因此各个工程具有明显的不可重复性。但是 在围堰和坝体过流的消能防冲方面，相关的影响因素在每个工程中都具 有一定的规律性，如：围堰泄流量、上下游围堰的堰顶高程和围堰及坝 体的结构型式、坝面的糙率和坡度，以及所采用的护面类型等。只是各 种因素的影响程度不同。因此，分析影响消能防冲的各种因素的具体的 影响方式和影响程度，对于更好的采取具有针对性的消能防冲措施，保 护围堰和基坑、大坝的稳定、安全，有着重要的意义。以下将对影响围 堰和坝体过流的消能防冲的各种因素从理论的角度进行分析。 2 2 局部冲刷形成原因及其影响因素 施工导流工程中进行消能防冲的目的是为了避免围堰和坝体在过流 期间形成的严重的局部冲刷，从而危及主体工程的安全。因此讨论消能 防冲的影响因素首先应当从造成局部冲刷的原因着手。 施工导流工程的实施，使河道的泄流宽度较原河道缩窄，单宽流量 增加，同时上游水位的抬高，造成上、下游水位差加大，因而上游来流 经过上游围堰后把势能转换为巨大的动能，集中向下游宣泄，水流湍急。 如果下泄水流的流速超过了河床或水工建筑物表面材料的抗冲流速就会 引起局部冲刷，严重时就会对主体工程造成破坏。 从微观的角度分析，造成局部冲刷主要原因是由于紊流的作用。因 为紊流中存在漩涡区与主流的交界面，该交界面上紊动程度高，流速梯 度大，剪切应力最大。对于带有平面扩散的水流，两侧有回流区，回流 区与主流的交界面上的剪切应力也最大，如图2 1 所示。水流的分界面位 置与流量和流速及其分布等有关。水流开始进入冲刷河床的流态不同， 在冲刷河床内部的流速分布的过渡形式也不同，冲刷坑的坡面也就不同。 最大流速愈靠近下部，分界区水流的流速梯度就愈大，冲刷坡面就更陡， 冲坑更深。垂向流速分布和平面扩散水流的横向流速分布都对冲坑有较 大的影响。而流速本身的大小又与流量有关。因此，总的来说，调整流 速分布状态和大小、控制流量就可以达到控制冲刷的目的。 第二章影响过流围堰消能防冲的因素分析 1 ) 俎捌面木巍f b ) 平面扩就木蠢 图2 1 主流与回旋水流的分界区 南京水力科学研究院的毛昶熙等人，从漩涡或侧边回流与主流的