深厚覆盖层上施工围堰防护措施的试验研究

刘 达，黄本胜，邱 静，王丽雯，王 珍

(1. 广东省水利水电科学研究院，广州 510610；2. 广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510610；3. 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510610)

0 引 言

北江是珠江的三大支流之一，全程总长度582 km，流域面积47 853 km2。清远水利枢纽是在北江干流建设的大型水利枢纽工程，枢纽所在的北江干流中下游平原河道宽度达1.2 km，因此施工导流需要分两期进行。由于施工导流的行洪流量较大，且围堰建在深达20 m的砂质覆盖层上，极易受水流冲刷[1-3]，其围堰的安全防护设计也成了亟待解决的关键技术问题。

本文通过施工导流动床物理模型试验，研究了河道及导流围堰外侧的水流冲刷规律，提出的施工导流期防护工程措施，全部为工程设计所采纳，确保了工程在施工期的安全。此外，纵向围堰上游裹头型式对围堰外侧冲刷坑形态的影响问题在国内外的研究成果较少[4]，在动床模型试验中对该问题进行了一定的研究，取得了初步的研究成果。

1 工程概况

清远枢纽是一座以航运、改善水环境为主，兼顾发电、反调节等功能的大型水利枢纽工程，枢纽布置图见图1。工程规模为大(1)型，枢纽库容为1.4亿m3，泄水闸共31孔，采用平板钢闸门，闸孔单宽16.0 m，泄水闸前缘总长609.5 m，共有4台贯流式机组发电，总装机容量44 MW，通航建筑物标准为III级(1 000 t)，枢纽50年一遇的设计洪峰流量为14 694 m3/s，200年一遇的校核洪峰流量为15 771 m3/s。

图1 清远水利枢纽工程平面布置图Fig.1 Qingyuan water control project floor plan

枢纽导流标准为10年一遇设计洪水[5]，枯期(10月-翌年3月)采用10年一遇枯期洪水，相应设计流量为Q=7 160 m3/s[6]；汛期(4-9月)采用为10年一遇全年洪水，相应设计流量为Q=11 700 m3/s工程采用两期导流方案，总工期3年，具体施工方案如下：

一期导流工程(第1年10月-第2年9月)主要完成右岸土坝、船闸、门库、17孔泄水闸的施工。一期工程又分两个阶段实施。第一阶段为第一个枯水期(第1年10月-第2年3月，简称一枯)，该时段由右岸船闸上、下游枯水围堰及一期泄水闸枯水围堰挡水，利用经疏浚至3.0 m高程、宽约400 m的左岸原河床导流，期间完成第15号～30号共16孔泄水闸及部分船闸工程的施工，一枯导流围堰布置图见图2；第二阶段为第一个汛期(第2年4-9月，简称一汛)，利用已疏浚的左岸原河床和已完成右岸的11孔泄水闸联合泄流。

图2 一枯导流平面布置图Fig.2 The first dry period diversion floor plan

二期导流工程(第2年10月-第3年9月)主要完成左岸14孔泄水闸、门库、电站厂房及左岸土坝的施工。二期工程也分两个阶段实施。第一阶段为第二个枯水期(第2年10月-第3年3月，简称二枯)，该时段由二期枯水围堰挡水，利用已完成的右岸15孔泄水闸过流，二枯导流围堰布置见图3，围堰结构图见图4。第二阶段为第二个汛期(第3年4-9月，简称二汛)，该时段由电站厂房全年围堰挡水，利用右岸已完成的15孔泄水闸和已完成的左岸第7～16号孔共25孔泄水闸联合导流。

图3 二枯导流平面布置图Fig.3 The second dry period diversion floor plan

图4 典型枯水围堰结构图(单位：m)Fig.4 Typical cofferdam structure diagram

2 模型设计

模型设计为1:80的正态模型，模型上边界为坝轴线上游约3 km，下边界为坝轴线下游约8 km。由于北江河道的悬沙较少，且施工导流动床模型试验主要是研究水流冲刷对围堰安全的影响，故动床模型试验只模拟床沙，不加悬沙。床沙应满足起动相似和沉降相似。根据坝下实测床沙资料，北江该段河床质中值粒径平均值0.58 mm，经反复计算和配制的结果，模型沙取级配合理的中值粒径为0.40 mm的电木粉，模型沙可满足起动相似和沉降相似。施工导流中采用的钢筋石笼防护带应用等效抗冲流速方法进行模拟，按照5 m/s的抗冲流速，经计算选用直径约1 cm的石子来模拟。

3 围堰堰脚的主要冲刷部位及防护措施

一枯、一汛、二枯、二汛4个阶段分别按照施工导流的设计流量进行试验，试验结果表明，4个导流期的河道及围堰堰脚均发生了不同程度的冲刷，由于一枯和二枯阶段的单宽泄流量大于一汛和二汛两个导流期，水流对河道及围堰堰脚的冲刷在一枯和二枯阶段也是最显著的，从冲刷的部位来说，主要的冲刷集中在纵向围堰的外侧堰脚，尤其是纵向围堰的上游裹头的外侧区域，该部位的严重冲刷对围堰的安全将构成很大的威胁。

造成纵向围堰上游裹头外侧明显冲刷的原因在于水流在该处的运动特性。由于采用了分期施工，当用围堰堰体堵塞了一侧河道后，另外一侧的河道作为上游洪水的唯一宣泄通道，上游宽阔的过水断面在此处突然不对称收窄，水流不能平顺流入导流明渠中，在纵向围堰上游裹头周围产生明显的绕流流态，形成持续的漩涡带，该漩涡带极易造成泥沙的起动，引起水流对堰脚的不断的淘刷，从而在其附近形成冲刷坑，冲刷坑的连续发展最终将不可避免的危及围堰安全。以一枯导流的试验成果为例，在原围堰防护方案下(见图5中斜线表示的阴影区为原方案的钢筋石笼防护带，裹头附近增设的网格线表示的阴影区为优化方案中增加的混凝土柔性排)，纵向围堰上游裹头头部以下约150 m范围内的20 m宽钢筋石笼带普遍塌陷，塌陷宽度平均约10 m；钢筋石笼外侧河床出现较深的带状冲刷坑，冲刷坑距堰脚距离约为17 m，最深处高程为-8.59 m。

根据原方案试验成果，提出了优化的防护方案，优化的防护方案主要采用5.0 m×4.0 m×1.0 m(顺水流方向长5.0 m、宽4.0 m、厚1.0 m)的混凝土柔性排布置在纵向围堰钢筋石笼防护带外侧12 m的范围内，防护长度约为180 m，具体布置见图5。由于加设了混凝土柔性排防护带，虽然混凝土柔性排在水流的冲刷下仍大范围塌陷，但其后的钢筋石笼防护带的塌陷范围则大大缩小，只有裹头局部范围有约1/3宽度的塌陷；纵向围堰外侧的带状冲刷坑向围堰外侧移动了约8 m，冲刷坑距围堰堰脚距离约为25 m，其底高程为-4.98 m。优化的防护方案使得冲刷坑显著变浅且距围堰堰脚保持了足够的安全距离，能有效保护纵向围堰与上游围堰搭接的薄弱处，从而保障围堰的安全。

图5 一枯纵向围堰优化的防护方案布置图(单位：m)Fig.5 Protection scheme arrangement of the first dry period lengthways cofferdam optimized

4 纵向围堰上游裹头的型式对冲刷坑形态的影响

施工导流的动床模型试验结果则表明了纵向围堰裹头型式对冲刷坑的形态产生显著的影响。以一枯导流为例，纵向围堰上游裹头的原设计方案在围堰外侧产生了长(顺水流方向)120 m、宽50 m的冲刷坑，冲深最大达12 m，主要原因是裹头型式不佳造成局部漩涡带冲刷河床。为此优化了纵向围堰上游的裹头型式，将斜线型裹头改为圆弧型裹头(见图6)，使得裹头附近的水流流态显著改善，漩涡带基本消失，优化后方案使得冲刷坑的深度和范围都显著缩小(见图7、图8)，冲坑长度、宽度分别减小到55、24 m，最大冲深降低为4.8 m。

图6 一枯纵向围堰上游裹头优化Fig.6 The first dry period lengthways cofferdam-breach upstream optimized

图7 一枯纵向围堰上游裹头型式优化前Fig.7 The first dry period lengthways cofferdam-breach upstream before optimization

图8 一枯纵向围堰上游裹头型式优化后Fig.8 The first dry period lengthways upstream cofferdam-breach upstream after optimization

图9 主河槽横向防护带布置图(单位：m)Fig.9 Main river channel crosswise protected zone arrangement plan

5 主河槽的冲刷及防护措施

动床试验结果显示，原施工导流方案在一枯期间河道的流速较大，平均流速在3.0 m/s以上，局部流速达3.8 m/s，较大的水流动能造成主河床较大幅度的冲刷，围堰堰脚外侧的钢筋石笼防护带大面积塌陷，围堰堰脚遭到破坏，河道平均冲深达8 m，局部最大冲深达16 m。

通过在主河床设置两条宽30 m、间距130 m的横向钢筋石笼防护带(见图9)，有效地遏制了纵向围堰上游裹头等处形成的局部冲刷坑向下游蔓延趋势，使得下游的带状冲刷深度明显降低，防护带仅局部塌陷，围堰堰脚前均有一定宽度的完整防护带保护，河道平均冲深降低为3.5 m，局部最大冲深降低为5.5 m，该防护措施较好地解决了一枯导流期间主河床的大幅冲刷从而影响到围堰安全的问题。

6 结 语

清远枢纽在施工期间经受住了3场大洪水的考验，施工导流期间的原型观测结果表明，水流运动规律及主要冲刷部位都与模型试验结果一致，根据模型试验优化的纵向围堰上游裹头及钢筋石笼防护带起到了显著的防护作用。通过施工期的动床物理模型试验研究，对于平原深厚覆盖层上兴建大型水闸枢纽，在设计上应尤其关注以下几点：

(1)在深厚覆盖层上进行分期施工导流，河道及围堰堰脚都会受到不同程度的冲刷，冲刷最严重的部位常位于纵向围堰堰脚及裹头的外侧，因此，上述部位需要加以重点防护。

(2)纵向围堰的上游裹头型式对于围堰外侧冲刷坑的发展影响较大，若其外型设计不合理，易在进口处产生绕流流态、漩涡带及回流区，造成围堰堰脚外侧的河床泥沙随漩涡起动，逐渐发展，进而淘刷堰脚，危及围堰安全。因此，在大型水闸枢纽的设计中开展水工模型试验优化围堰裹头型式是十分必要的，合理的裹头型式既能提高过流能力又能显著降低围堰外侧的冲刷程度。

(3)施工导流期，当主河床流速较大、河床面临较大的冲刷时，采取在主河床上沿程间隔设置横向钢筋石笼防护带的措施，可以有效减轻河床冲刷。

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[1] 吴志坚，汪玉君.大型水库施工导流的试验研究[J].西部探矿工程，2006,(2)：34-38.

[2] 朱国伟，阎修家.飞来峡水利枢纽施工导流设计中的几个主要技术问题[J].人民珠江，1999,(4)：42-48.

[3] 罗洁平，杨 进.孟洲坝水电站施工导流与施工期通航[J].中南水力发电，1997,(9)：40-42.

[4] 肖焕雄.国外施工导流情况综述及有关问题的探讨[J].水力发电，1985,(2)：42-46.

[5] 肖焕雄.论施工导流标准[J].水力发电，1987,(3)：21-26.

[6] 陈椿庭.大型水电施工导流的流量[J].水力发电，1985,(9)：33-38.