基于大沙坝水电站施工汛期导流坝面过水设计研究

'水力发电第4O卷第5期2014年5月大沙坝水电玷袍工汛期导琉坝面过水设计研究黄立群，杨炳桂，严烈冰。，何力(1．云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021；2．中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院有限公司科学研究分院，云南昆明650101)摘要：大沙坝水电站施工枯期采用隧洞导流，汛期采用过水坝面与导流隧洞联合过流泄洪的方式。通过模型试验，对过水坝面的流态、泄流能力、坝面压强和流速变化规律进行研究分析，论证坝面设计体型的合理性，据此提出过水坝面、岸坡、下游坝坡和基坑的保护措施。关键词：施]_导流；过水坝面；体型优化；保护措施；大沙坝水电站DesignofLeadingWaterFlowoverDamSurfaceinFloodSeasonduringConstructionPeriodHUANGLiqun，YANGBinggui，YANLiebingi，HELi(1．YunnanWaterConservancyandHydroelectricSurveyDesignandResearchInstitute，Kunming650021，Yunnan，China；2．BranchInstitutionofScientificResearch，HydroChinaKunmingEngineeringCorporation，Kunming6501O1，Yunnan，China)Abstract：ThewaterindryseasonisdischargedbydiversiontunnelandthewaterinfloodseasonisdischargedbythejointoperationofoverflowdamsurfaceanddiversiontunnelduringtheconstructionperiodofDashabaHydropowerStation．Theflowstate，dischargecapacity，damSurfacepressureandflowspeedvariationofoverflowdamsurfacearestudiedbymodelexperimentstoprovetherationalityofshapedesignofdamsurface．Theprotectionmeasuresofoverflowdamsurface，bankslopes，downstreamdamslopesandfoundationpitarefinallyproposedbasedonexperimentalresults．KeyWords：constructiondiversion；wateroverdamsurface；shapeoptimization；protectionmeasure；DashabaHydropowerStation中图分类号：TV652(274)文献标识码：B文章编号：0559—9342(2014)05—0040—05有3层反滤层。每层均厚0．6Fn坝址以上流域面积1工程概况为910km，多年平均年径流量5．12亿m，水库流大沙坝水库位于西双版纳西南部的澜沧江一级域暴雨集中、强度大，汛期时洪水量大峰高。因此，支流南腊河流域内，水库上游是国家自然保护区，水库施工度汛是设计中的一个重要环节。总库容6800万m。，装机容量5600kW．属i等中大沙坝水库流域具有干湿分明、降水量集中的型水库，主要建筑物为3级，水库具有灌溉、发电特点以及地质条件成洞差等因素．故施工导流应考和防洪等综合利用功能。水库地处低纬度、低海拔虑尽量减小隧洞的洞径并充分发挥隧洞的作用。水地区，地层属于老第三系软质岩，岩性主要为长石库施工导流方案是枯期采用灌溉发电输水隧洞与导石英砂岩和粉砂质泥岩。枢纽建筑物由大坝、灌溉流相结合，洪水标准为枯期10年一遇，设计洪峰流发电(兼导流)输水隧洞和溢洪道组成。大坝为粘量67．5m3／s，由导流确定隧洞洞径；汛期采用坝面土心墙堆石坝，最大坝高39．9m，坝顶长176．6m，宽6ru，大坝上、下游坡比相同，其中上部为1：1．8，收稿日期：2013—10—30下部为1：2；心墙顶宽5m，底部最大宽28．4m，心作者简介：黄立群(1962一)，女，广西玉林人，高级工程师墙上、下游坡比均为1：0．3，在心墙上、下游面各设从事水工建筑物设计工作． 只土厶矸，哥：八，：I，^：，J＼巳~AI2／JI／：l上711J正U世／J＼议f1／7"fi：~"fi与导流隧洞联合过流泄洪，洪水标准为汛期20年一3试验成果及研究分析遇，设计洪峰流量1140m3／s，其中，坝面过水设计流量为1036m3／s。通过计算，坝面过水时坝体填筑3．1坝面泄流能力高度为11．5m，坝顶高程651．5ITI，坝面过水最大由于受左岸溢洪道出口山体阻水的影响．试验流速2．96m／s，需采取保护措施：①在上游坝坡坡实测的下游水位值比设计计算值偏高。例如泄流量面650～651．5in高程采用块石保护；②过水坝面采Q=1036ln3／s时。下游围堰处实测水位比设计值高用0．5m厚大块石保护；③下游坝脚堆石棱体顶高0．39Ill，溢洪道出口处也高1．48m。如果下游水位程652m，略高于过水坝面，棱体外包浆砌块石保偏高，那么过坝水流的落差将减小，水垫层则加厚，护，并且在坝脚3m范围内堆置钢筋笼护脚；④在可减轻水流对下游河道的冲刷，是有利因素。其他左右两岸边坡高程651．5～657m范围内喷混凝土保代表性泄流量的实测值和计算值比较结果见表1。护，由于左岸地质条件较差，在左岸边坡上、下游坝面过水流量系数m=0．251～0．397。进出口处采用钢筋笼防护。水库施工导流度汛平面表1坝面过水流量、上下游水位关系以及流量系数布置见网1。注：日、F0分别是F游周堰和溢洪道Ⅲ151断面处的水位。模型采用水泥砂浆抹面，实际的模型糙率(0．014左右)小于河床(0．01986)和坝面(0．017)的相应糙率。抗冲是坝面保护的重要条件，如果糙率偏小，测得的水深偏低，相应的过流能力偏小。但流速反而偏大。在过坝面流量350～1036m3／s时，实测水深为2．76～4．89m，按相应模型糙率反演水深为圈1施工导流度汛平面布置示意(单位：m)3．08～5．49in。高于实测水深0．32～0．6nl。由此可知，试验实测水深偏低，误差在12％左右，相应坝面过2试验目的与模型设计流量偏小，误差在17％左右。故增加两岸边坡的保T程施工汛期采用坝面与导流隧洞联合过流泄护高度可以提高坝面的过流能力。洪。通过模型试验，找出不利于过水坝面的安全控右岸隧洞全长399in，圆形内径3．6In．导流隧制因素，并提出过水坝面、左右岸坡、下游坝坡和洞进口底板高程647．51TI，出口底板高程647．16ITI。基坑的保护措施．确定下游坝坡溢流面的轮廓体型，库区4月下旬进入汛期，当H}≤651．14m(即低于观测坝面过水时上游基坑予以冲水保护的要求。以上游围堰)时，导流洞为无压流，p≤25．17m3／及其他不利因素的控制措施。s；随着上游来水的逐渐加大，当上游水位逐步高于水流主要受重力作用，按照重力相似准则设计651．51TI时．坝面与导流隧洞开始联合过流．当模型。经过计算比较，选定的模型比尺为1：30的正日上=654~656．51TI时，p=47．5-57．51TI3／s，由于水态模型。主要水力参数比尺：几何比尺A=30；流头不高，隧洞过流量变化不大，只占相应坝面过流量比尺Ao=Ac~2=4929．503；流速比尺A=AL1／2_5．4772；量的13．55％～5．55％．故施工度汛主要以坝面泄流时间比尺A产AL-I／2~0．1826；压力比尺A==30；糙为主。率比尺A=ALl／6m~1．7627。河床糙率n=0．035，坝面糙3_2过坝水流的流态率n=0．03．相应的模型糙率分别为0．01986、坝体上游右侧接近河床弯道，左岸岸坡伸入库0．017，实际模型糙率为0．014左右。考虑在坝的下中，来流受弯道及岸坡的影响，在上游围堰处，主游冲刷区预留动床，回填冲料，冲料粒径按河道冲流靠近左岸，从实侧流速分布上看，左岸流速大于刷流速V=3m／s，经计算模型粒径D=6～12mm，实右岸。在上游围堰前，涨水和过流都有～个过程，际采用D<15mrn的河沙。水流开始越过上游围堰时比较缓慢，上游基坑充水WaterPowerVo1．40No．5团 是一个渐进的过程，当基坑内的水位逐渐升高至过水坝面的顶部高程651．5m后，坝面开始过水。水流至坝末堆石棱体处，受堆石棱体顶部的阻挡，水位继续雍高．当水位超过堆石棱体高程652in后，下游坝面开始溢流。下游坝面泄流时，受上游左岸边坡的影响，坝面主流靠中、右部位，坝面左侧形成静水区。水流在2～4号断面间较为平顺，无紊乱现象．过4号断面后，水面坡降加大，水流逐渐加速。因河道左岸地质条件较差，筑坝时左岸开挖较多，而河床靠近右岸因此．距坝轴线下游43～49m坝面左岸收缩较大，坝面宽度由117m急剧缩窄至79ITI，在堆石图2过坝水流沿程底流速分布示意(单位：高程／m、流速／m·S)棱体外缘(6号出流断面)处，溢流宽度仅有64m。底流速，为0—0线处底流速。水流受到挤压，加上水流溢流收缩．6号断面处水坝面泄流量分别为1036、900、760、350m。／s流坡降及流速迅速增大。过堆石棱体后，水流顺其时，实测坝面沿程压力分布均为正压．最大压力为坝坡流入下游河道。开始泄流时，下游基坑内无水。43．66kPa(Q=1036m3／s)，坝面上的压力随着泄流溢流水头较大，高差约7m，坝脚处流速约9．4m／s。量的增加而增大。堆石棱体下游坝坡的压力分布见随着泄流量的增加，基坑内的水位因下游围堰的阻图3，由此可知：在棱体顶部压力为负压(此处为挡而很快升高，从坝面溢流下的水流潜入下游河床。折线联结，水流脱流所至)．最大负压为一12．3kPa并向上翻滚，呈漩滚状，表现为底流消能。漩滚位(p=1036m3／s，在棱体右侧)。其他部位的压力均置随泄流量的大小而变化，流量愈大，漩滚愈往下为正压，并且压力值随着位置的降低而增大，坝脚游移动。水流越过下游围堰后仍为急流。处最大压力值为84．5kPa(Q=1036m3／s，在坝脚右3．3过坝水流沿程流速分布侧)。在下泄流量为1036m3／s时，过坝水流流速分4过水坝面的轮廓修改和保护措施布见图2。可知：粘土心墙范围的流速大部分在3m／s以下，符合设计要求。水流经过粘土心墙以后，4．1过水坝面的体型研究逐渐加速，当流至堆石棱体时，虽然流程只有47．31过水坝面的体型影响水流的流速及水深。由表m，但流速比4号断面的增加一倍以上。2可知．坝面泄流量在350～1036m／s时，l号～43．4水面线及压力分布号断面的平均流速、平均底流速分布较均匀．大部根据试验可知，在堆石棱体前的坝面水流比较分在设计允许的流速2．96m／s范围以内．但2号断平顺．左、中、右水深差较小。从1号到4号断面面的某些部位流速较大，故上坝肩中、左部位应重的水面坡降较小，当泄流量为350—1036m3／s时，点保护。在坝末堆石棱体处，流速增大，最大流速平均坡降为0．155％～0．382％。在4号～6号断面水面达6．19～10．71m／8；坝面溢流与下游水位交汇处以及坡降开始增大，平均坡降为3％～4．1％。表2列出了坝脚的流速亦较大，交汇处V=5．69～8．4m／8．坝脚泄流量为l036、350m／s时实测各断面的水深和流处V=6．42～8．3m／s，故堆石棱体、下游坝坡和下游速情况，其中，为断面平均流速，为断面平均坡脚是坝面过水重点保护的部位。应设法降低重点表2各断面平均水深和流速分布 帚／4U多舄3翮具石辛，守：／＼／J＼吧小H-上一丌、删哥旧儿／J＼仅LI研C堆石棱体(右)Q’=3说明：o204060kPa1．压力比尺堆石棱体(左)图3过水坝面压力分布示意(单位：kPa)保护区的流速，并采取相应的保护措施。4．2保护措施经优化设计得到最终方案(见图4)：坝面过水4．2．1上游坝肩轮廓基本与设计原方案相同；堆石棱体垂直水流向上游坝坡(上坝肩)在650～651．5m高程仍用的宽度仍为64m。在距坝轴线的下游14m处增加缓块石防护．通过流态观测，在650m高程以下采用冲坎(高0．6m、宽0．5m)以便降低3号、4号断预充水保护。护面块石大小(粒径)可按工程设计面坝面流速(保护心墙顶)；坝末堆石棱体顶部向下中广泛采用的苏联伊兹巴士公式游伸展6m，下游坝坡修改为阶梯形状，阶梯尺寸rj——————————=l，、V／x／-D,coso~一(1)为宽2m、高11TI、外缘连线坡度为1：2。修改后坝面及堆石棱体的流速比设计原方案有所降低，最终式中，为断面平均流速；l，为稳定系数；s为块石方案坝面流速分布见表3。容重；3／为水容重；Ds为块石化引直径；ol为下游表3各断面平均水深和流速分布(最终方案)坝坡坡度；g为重力加速度。最终方案试验中，2号断面V=2．07～3．99rrds代人式(1)得到=10～31em。q=l036／m’·s一Q=350／m3．s一～断面．——一上坝肩中、左部位的块石化引直径为63cm，相当位置H／mVIVV一H／mWvvv—11-S一m-S一m·S一m·S一11·S一m·S一m·S—in-S叫于要用50cmx50cmx50cm块石保护。1号5．182．753．163．253．433．061．57l_251．33I．334．2．2下游坝肩、坝坡、坝脚2号5．172．072．472．433．993．061．191．571．331．71下游坝肩、坝坡、坝脚是坝面过水的保护重点3号5．131．771．621．711．713．110．990．770．770．77部位。下游坝脚堆石棱体坡比为1：1．5，设计拟用厚4号5．O91．791．401．081．713．061．O00．890．711．080．5m的浆砌块石保护。在试验过程中，对浆砌块石5号4．353．443．654．204．202．701．872．272．542．77和钢筋笼两种保护方式进行了模型试验。6号4．083．834．504．544．852．342．263．082．873．34(1)浆砌块石保护。模型试验时，保护模拟是坝末3．045．168．459．099．09l_822．915．716．096．09不相似的，仅能将设计初拟保护块石按比例缩制成7号3．274．184．194．064．853．045．163．553．843．841．7emx1．7emX1．7em的混凝土块．干砌在下游坝坡坝轴线增加的图4沿程坝体过流面轮廓修改前后纵剖面WaterPowerVo1．40No．5囫 小／J叹电ZU141#b月上，定性观看在什么水位和流量下被冲毁，试验结过水坝面体型进行了优化设计，并据此提了坝面果偏于安全。从试验得知，当H653．06in，p：74过水保护的措施，可供类似工程参考借鉴。m3／s时，在下游坝坡上干砌的混凝土块即被冲跨。参考文献：若按原设计方案试验，在6号断面处用式(1)计算[1]云南省水利水电勘测设计研究院．大沙坝水库程初步设计报的防护块石化引直径为0．51～2．56m，在施工中有一告[R]．昆明：云南省水利水电勘测设计研究院，1999．定的难度，不予采纳。[2]SL155—95水T(常规)模型试验规程『S]．(2)钢筋笼保护。模型试验时，首先将钢筋笼[3]国际电力公司昆明勘测没计研究院科学研究所．大沙坝水库坝面防护的阶梯做成定床，施测各阶梯上及与两岸岸坡过水整体水T模型试验研究报告[R]．昆明：国际电力公司昆明交接处的流速分布；然后根据钢筋笼的尺寸．按比勘测设计研究院科学研究所．2000．例缩制成5cmx5(3II1x3．3em的铁钢砂混凝土块[4]能源部水利部水利水电规划设计总院．碾压式土石坝设计手册模型基本符合重力相似，几何比尺A=30，重力比(上册)[R]．北京：水利水电规划设计总院，1989：499—512．尺A=67500。缩制的铁钢砂混凝土块干砌在下游[5]徐琳．天生桥一级水电站96年坝体渡汛水力学模型试验『R]．贵坝坡上，定性观看在什么水位和流量下混凝土块被阳：电力]=业部贵阳勘测设计研究院科研所．】995．[6]陈及新，张元生．天生桥一级水电站坝面过水设计和施]一实况冲跨。经试验。拟定钢筋笼尺寸为1．5Illx3m×1[J]．云南水力发电，1999(1)：38—41．m，每笼宽3i"ll(水流方向)，钢筋笼布置见图5[7]胡去劣，李屏君．天生桥堆石坝施_r期渡汛过水试验研究『J]．水利水运T程学报，1991(4)：90—101．[8]高盈孟，冯家和．施T期渡汛过水堆石体水力学特性及其体型选择试验研究[J]．云南水电技术，1991(1)：68—72．[9]周菊华．援喀麦隆拉格都水电站拦河坝施T期堆石坝坝而过水水T模型试验报告[R]．昆明：昆明勘测设计研究院科研所．1978．[10]夏明跃．国外过水堆石同堰块石护面试验研究情况介绍『J]．水图5下游坝坡钢筋笼防护示意(高程：In；尺寸：mm)力发电，1981(7)：60—64．[11]夏明跃．过水堆石围堰铅丝笼护面稳定性近似计算『J]．水力发5结语电，1983(2)：61—64．[12]李仕成．天生桥一级水电站匍堰及坝面过流保护『J]．云南水电本文介绍了大沙坝水电站施工汛期导流方式，技术．2000(2)：22—24．由于水库流域暴雨集中、强度较大，汛期洪水量大[13]应宁坚，朱丽萍．珊溪水库面板堆石坝施丁渡汛保护方案浅析峰高，故采用坝面与导流隧洞联合过流泄洪的方案。『J]．水力发电，2000(10)：38—40．通过坝面过水模型试验，依据水流速度和水深．对(责任编辑王琪)广告目次长沙华能自控集团华自科技股份有限公司⋯封面北京中水科海利工程技术有限公司⋯⋯前插8、9国家水能风能研究中心、国家能源水电工程杭州国电大坝安全工程有限公司⋯⋯⋯⋯前插10技术研发中心⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯封二挪曼尔特(上海)贸易有限／厶＼司⋯⋯⋯⋯前插11北京奥技异电气技术研究所⋯⋯⋯⋯⋯⋯前插1株洲南方阀门股份有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯前插l2基康仪器(北京)有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯前插2山西黄腾化工有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯后插1南京科明自动化设备有限公司⋯⋯⋯⋯⋯前插3西安联能自动化工程有限责任公司⋯⋯⋯后插2郑州机械研究所⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯前插4北京木联能软件技术有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯封三中国水电十一局郑州科研设计有限公司⋯前插5北京木联能工程科技有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯封底北京华科同安监控技术有限公司⋯⋯⋯前插6、7中铁岩锋成都科技有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯内100叠盟W(aerPoerVoz．40]Vo．5'