导截流整体水工模型试验成果报告DOC.docx
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导截流整体水工模型试验成果报告DOC
施工导截流水工模型试验研究报告
*****
2004年10月
目录
1工程概况………………………………………………………………………………5
2试验目的及要求………………………………………………………………………6
3试验依据………………………………………………………………………………6
4模型设计与制造及验证试验…………………………………………………………7
5试验内容及成果分析…………………………………………………………………9
5.1一期导流试验………………………………………………………………………9
5.2二期导流试验………………………………………………………………………13
5.3截流试验……………………………………………………………………………16
6结论和建议…………………………………………………………………………18
7附图、表、照片……………………………………………………………………20
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190m3/s。
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（%）
0.1
0.2
0.5
1.0
5.0
10
20
50
流量（m3/s）
27100
25000
22200
20100
15000
12800
10400
7090
水位（m）
48.50
47.50
46.10
45.00
42.16
40.88
39.41
37.33
表2施工洪水成果表
流量（m3/s）
施工时段
5%
10%
20%
50%
9月1日至次年3月31日
4770
3870
3030
1830
9月1日至次年2月28日
4200
3390
2590
1540
10月1日至次年3月31日
4290
3440
2610
1570
10月1日至次年2月28日
3550
2770
2050
1030
10月1日至次年12月31日
2820
2200
1520
630
1月1日至次年3月31日
3630
2910
2200
1150
***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×宽×水深=80m×12m×2m，上游引航道长约158m，下游引航道长约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=1500m3/s、2610m3/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V≤2.0m/s，横向流速V≤0.30m/s，回流流速V≤0.40m/s，航道要求最小宽度B≥32m，水深h≥2.0m。
2.4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
3.1.1SL155—95《水工常规模型试验规程》。
3.1.2SL163.1—95《施工导流模型试验规程》。
3.1.3SL163.2—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=512000
4.2模型制造
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d≤0.3m（原型粒径）的模型沙填筑，永久建筑物部分用水泥沙浆人工刮模或用上等木料精工制造并均经腊光，其精度为±0.3mm，
上游水位控制点：
X=0+250m，Y=上0+300m。
下游水位控制点：
X=0+350m，Y=下0+600m。
4.3模型水位率定
根据试验规程及设计单位要求，模型制造完毕后进行率定验正试验，率定流量为Q=1500m3/s、2610m3/s、10400m3/s，率定位置为上0+300m、0+000m、下0+300m。
率定成果见表3。
表3***导截流整体水工模型水位验证表
流量
（m3/s）
原型水位（m）
模型水位（m）
上0+300
坝线0+000
下0+300
下0+600
上0+300
坝线0+000
下0+300
下0+600
左
中
右
左
中
右
左
中
右
左
中
右
1500
33.07
32.96
32.85
32.75
33.18
33.11
（32.94）
33.00
33.05
33.01
32.85
33.03
32.98
（32.88）
32.84
32.97
32.93
（32.75）
32.87
2610
34.16
34.05
33.94
33.84
34.21
34.12
（34.00）
34.12
34.16
34.10
33.90
34.14
34.05
（33.87）
33.87
34.11
33.94
（33.84）
33.91
10400
39.52
39.41
39.30
39.20
39.65
39.56
（39.37）
39.54
39.62
39.52
33.30
39.66
39.51
（39.18）
39.26
39.60
39.43
（39.20）
39.36
说明：
“括号”内的水位为测针筒水位，其它为活动测针水位。
***坝址河段属于弯道河段，主流偏左，从表3中知，水位左高右低，其横向水位差为0.2m～0.3m。
模型水位与原型水位比较接近甚至相等，大多数相差5cm～8cm，最大偏差0.2m左右，各流量各断面有所不同，当Q=1500m3/s、2610m3/s、10400m3/s时，0+000断面，模型水位分别比原型水位高5cm、5cm和11cm；上0+300m断面，模型水位分别比原型水位高4cm、－4cm和4cm；在下0+300m断面，模型水位分别比原型水位高13cm、11cm和21cm。
可见，模型水位略高于原型水位，但偏差不大，说明模型地形制作精度满足试验要求。
5试验内容及成果分析
5.1一期导流
5.1.1试验内容
5.1.1.1测量不同流量时上下游水位及水面线。
5.1.1.2观测不同流量时左侧束窄河道流态、流速分布等。
分析左河道束窄后的通航水力条件、围堰的冲刷情况、岸边与纵向围堰的防护措施。
5.1.1.3测定闸坝纵向围堰（导墙）及上下游围堰沿程水面线。
5.1.1.4测定围堰过水工况时各部位的流速、流态、水位等。
并测定其动水压力（仅测上游围堰2个断面）。
5.1.1.5提出改善优化的措施和意见。
5.1.2试验成果及分析
一期导流试验共分三种工况进行试验。
5.1.2.1工况1原设计方案
（1）基本情况
开工第一年的枯水期先进行右岸一期半年土石围堰的填筑，由束窄后的左侧河道导流和通航，施工一、二期共用的纵向混凝土围堰（导墙）、11#～14#坝、厂房及船闸等。
半年土石围堰上游围堰堰顶高程及纵向围堰堰顶高程为35.90m，下游围堰堰顶高程为34.95m，顶宽均为7m，坡度均为1∶2，上、下游围堰与纵向围堰连接的圆弧段用钢筋笼保护。
详见图1。
一期半年土石围堰运用期为一个枯水期，时段为10月1日至次年的3月31日，其设计洪水标准为P=20%，相应的Q=2610m3/s，相应的上游水位为34.43m，下游水位为33.94m。
试验流量：
Q=1500m3/s、2000m3/s、2610m3/s，其中2610m3/s为导流标准流量。
（2）Q=2610m3/s时的流速、流态和水位
流速：
试验表明，上游围堰圆弧段最大流速为3.18m/s，纵堰左侧的最大流速为2.08m/s，下堰前圆弧段的最大流速为1.54m/s，上、下游围堰的圆弧段及纵堰左侧原设计已用钢筋笼保护，虽然流速较大，但未见有钢筋笼被冲刷起动之现象，上游围堰未保护部份的堰脚最大流速为2.5m/s左右，该围堰是用d≤0.3m的弃碴填筑而成，抗冲能力很低，试验中发现上游围堰未保护的部份有淘冲现象，因此建议，上游围堰在现有保护范围的基础上再向右延长保护25m左右。
下游围堰的堰前流速较小，可适当考虑缩短其保护范围，所有保护范围堰脚处的钢筋笼应有一定埋置深度的基础。
左岸边的最大流速为3.31m/s，估计对岸边的冲刷不会严重。
流态：
因河道缩窄，水流逐渐收缩，颈部流速明显上升，主流居于束狭段中部，上游围堰转角处水流紊动强烈，纵向围堰左侧在0+000断面以上形成回流，回流流速达1.63m/s，这股回流和纵向围堰左侧的紊流对纵堰脚的淘刷破坏力不能低估。
上下游围堰前均存在较大范围的回流，但其流速不大，一般0.80m/s左右，估计回流对围堰的安全影响不大。
水位：
上游围堰前的最高水位为34.40m，比设计水位34.43m低0.03m，比上游围堰顶高程35.94m低1.03m。
纵堰左的最高水位为33.88m。
下堰前的最高水位为33.92m，比设计水位33.94m低0.02m，比下堰顶高程34.95m低1.03m，从模型水位判断，围堰顶高程满足要求，但原型中要考虑风浪的作用。
当Q=2000m3/s、1500m3/s时，各部位的流速流态基本相似，比Q=2610m3/s流态好。
（3）通航问题
根据《任务书》提供的通航条件，当Q≤1500m3/s时，束窄左侧河道的面流速小于2.0m/s，满足通航条件，但船只必须靠左岸边行驶。
当Q≥2000m3/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，由纵向砼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砼保护，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，纵向砼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=2000m3/s、2610m3/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=2610m3/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围堰，故上下游围堰前的流速不大，一般为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）Q=3576m3/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，模型中上下游堰前水位波动约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=3576m3/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。
修改后可节约砼量约2200m3。
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=10400m3/s、7900m3/s。
（2）Q=10400m3/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5.49m/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39.74m，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，比纵堰顶低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。
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下降到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，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/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，下游围堰前的水位波动约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/s~7.26m/s，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=2610m3/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1.0m～1.5m，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0.1m/s～0.2m/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0.1m/s～0.2m/s，下0+500m处的右岸边，回流速为0.3m/s～0.6m/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2610
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