猴子巖水電站截流模型試驗研究及原型觀測對比分析

宋 方 剛，　馬 旭 東，　戴 光 清，　丁 治 平

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都　610041)

猴子巖水電站截流模型試驗研究及原型觀測對比分析

宋 方 剛，馬 旭 東，戴 光 清，丁 治 平

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610041)

摘要：本文以猴子巖水電站截流試驗?zāi)Ｐ脱芯颗c猴子巖水電站工程截流水文資料觀測分析為基礎(chǔ)，將模型試驗結(jié)果與原型觀測結(jié)果對比分析，得到二者之間的異同，以及出現(xiàn)差異的原因，以期為后續(xù)山區(qū)河道截流工程提供理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：猴子巖水電站；模型試驗；原型觀測；對比分析

1 工程概況

1.1猴子巖水電站概況

猴子巖水電站位于大渡河干流上游，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整“三庫22級”的第9個梯級電站，上接丹巴電站，下接長河壩電站。正常蓄水位為1 842 m，相應(yīng)庫容為6.62億m3，水庫總庫容7.06億m3，死水位為1 802 m，調(diào) 節(jié) 庫 容 為

3.87億m3，電站具有季調(diào)節(jié) 能 力。裝 機 容 量

1 700 MW(425 MW×4臺)，多年平均年發(fā)電量74.53億kWh。電站采用壩式開發(fā)，樞紐建筑物主要由攔河壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。

1.2截流模型試驗概況

猴子巖水電站模型試驗研究委托四川大學(xué)，根據(jù)電站壩址區(qū)地形圖和模型設(shè)計圖，制作模型試驗。按工程進(jìn)度需要，經(jīng)分析研究決定，重點研究單戧堤截流方案、寬戧堤截流方案和雙戧堤截流方案，通過模型試驗，得到了不同流量、不同截流方案下龍口水力學(xué)指標(biāo)，以綜合評價截流難度，推薦合理的截流方案。即：在流量不大于570 m3/s時，推薦采用單戧截流。在流量大于等于570 m3/s時，推薦采用雙戧截流。單戧堤截流進(jìn)占過程中，宜采用上挑角的進(jìn)占方式。雙槍截流過程中，宜上、下戧堤同時進(jìn)占，但進(jìn)占方向相反，龍口位置交錯，進(jìn)占速度相同。

1.3截流施工及原型觀測概況

截流時段及原型觀測的時段從4月2日開始至4月6日結(jié)束，水力學(xué)要素觀測主要在截流合龍階段。整個截流施工及原型觀測從2日19點開始，5日15點結(jié)束，歷時64小時。截流實施采用模型試驗推薦的單戧堤截流方案，采取雙向預(yù)進(jìn)占。在整個截流過程中，來水流量變化范圍為233～373 m3/s，龍口最大流速達(dá)9.85 m/s,最大落差為9.72 m。該電站圍堰截流的難度較高，主要表現(xiàn)在陡坡降、高流速、大落差、窄戧堤、單向進(jìn)占、高流速持續(xù)時間長。

2模型試驗成果與原型觀測成果對比分析

2.1導(dǎo)流洞分流能力

截流龍口水力學(xué)指標(biāo)與導(dǎo)流洞的分流能力直接相關(guān)，同時也是截流難易程度的主要影響指標(biāo)，其主要影響因素為隧洞進(jìn)口圍堰是否完全拆除。截流施工中，在實施截流之前拆除導(dǎo)流隧洞進(jìn)口圍堰，一般是采用爆破或反鏟開挖方式，由于水下施工，故一般該進(jìn)口圍堰均不能完全拆除，均會留有一定的殘埂。該殘埂在截流初期會一定程度影響導(dǎo)流隧洞泄流能力，甚至影響截流初期的截流難易程度。猴子巖水電站河道截流過程中，導(dǎo)流洞泄流能力原型觀測值與模型試驗值對比如圖1所示。對比分析圖內(nèi)數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：

(1)實際截流過程和模型試驗，導(dǎo)流隧洞泄流能力整體變化規(guī)律基本吻合，均隨導(dǎo)流隧洞進(jìn)口水位升高而逐漸增大，基本呈線性規(guī)律。

(2)實際截流過程中，在截流初期，導(dǎo)流隧洞水位在1 700.3 m～1 701.1 m范圍時，導(dǎo)流隧洞泄流能力小于對應(yīng)水位的模型試驗中隧洞泄流能力，說明截流施工中導(dǎo)流隧洞進(jìn)口圍堰沒有完全拆除，一定程度地影響了導(dǎo)流隧洞泄流能力。

圖1　導(dǎo)流隧洞泄流能力對比

2.2龍口流速變化規(guī)律

截流原型觀測和模型試驗中，不同龍口水面寬度下，龍口內(nèi)流速變化規(guī)律如圖2所示，原型觀測中，限于時效性和非恒定性等影響因素，無法完整觀測龍口內(nèi)流場分布，僅觀測了龍口水流表面最大流速，根據(jù)圖內(nèi)數(shù)據(jù)表明，模型試驗中實測龍口平均流速小于最大流速，并小于原型觀測中流速，二者不具有可比性，故主要對比最大流速。分析圖內(nèi)數(shù)據(jù)可得到以下主要結(jié)論：

圖2　不同龍口水面寬下龍口流速對比

(1)原型觀測中最大流速與模型試驗中最大流速處于同一數(shù)量級，且變化規(guī)律基本相同。

(2)原型觀測中最大流速9.85 m/s，對應(yīng)流量309 m3/s，龍口水面寬14.4 m，模型試驗中流量為570 m3/s和740 m3/s時，對應(yīng)最大流速為9.11 m/s和9.49 m/s，對應(yīng)水面寬分別為12 m和15 m。從以上數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析，原型觀測和模型試驗龍口最大流速和水面寬較為接近，均位于龍口出現(xiàn)倒三角時段，但原型觀測中流量遠(yuǎn)小于模型試驗流量。分析原因有兩方面，一方面我們采取對比分析，由于最大流速和測點關(guān)系較大不具備可比性，一般采用平均流速作對比。另一方面，最大流速與落差有關(guān)，與流量關(guān)系不大。模型試驗中計算了滲透流量，而原型觀測中對滲透流量未作計算。

(3)截流施工中，當(dāng)龍口流速達(dá)到最大流速9.85 m/s之后，由于戧堤無規(guī)律坍塌等因素，龍口和水面寬度會增大，從而致使流速會相對減小，但仍然大于8.0 m/s。

不同龍口流量下，模型試驗及原型觀測中，龍口最大流速對比如圖3所示，圖內(nèi)數(shù)據(jù)表明：

圖3　不同龍口流量下龍口流速對比

(1)在區(qū)間A范圍內(nèi)(流量260 m3/s～135 m3/s)，最大流速原型觀測值小于模型試驗值，但最大流速原型觀測值卻隨流量減小而逐漸增大，主要原因在于雖然龍口流量相同，但二者水面寬度存在差異，對應(yīng)的龍口落差和單寬流量均存在差異，且模型試驗值大于原型觀測值。

(2)在區(qū)間B范圍內(nèi)(流量130 m3/s～41 m3/s)，最大流速原型觀測值和模型試驗值位于同一量級范圍內(nèi)，且B區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了最大流速極值，極值后隨龍口流量減小，最大流速也相應(yīng)減小，同時也說明在截流最困難區(qū)段內(nèi)，龍口流量和導(dǎo)流隧洞泄流能是時決定截流難度的主要影響因素。

(3)區(qū)間C是龍口流速急速減小區(qū)段，同時也是截流施工度過困難段之后的最終合龍時段，該區(qū)段內(nèi)龍口流量減小，但由于落差增大而流速相對較大。原型觀測中高流速區(qū)段持續(xù)時間會長于模型試驗中高流速區(qū)段。

2.3龍口落差變化規(guī)律

不同水面寬度和不同龍口流量下，原型觀測和模型試驗中龍口落差變化規(guī)律如圖4、圖5所示。具體分析圖內(nèi)數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論：

圖4　不同龍口水面寬度下龍口落差對比

圖5　不同龍口流量下龍口落差對比

(1)截流落差隨龍口逐漸縮窄和龍口流量減小而逐漸增大，同時也受上游來流量影響。

(2)實際截流施工過程中，由于戧堤的無規(guī)律坍塌等因素，截流龍口會出現(xiàn)不進(jìn)反退的狀態(tài)，但其截流落差會持續(xù)增大，基本不會減小。

(3)在水面寬度10.5 m之前，龍口落差原觀值會始終小于模型試驗值，原因在于模型試驗流量大于實際截流流量。

(4)在龍口寬度出現(xiàn)不進(jìn)反退的10.5 m～15.9 m時段內(nèi)，龍口流量相對減小，但其截流落差卻增大，甚至大于模型試驗值。而在相同龍口流量區(qū)間內(nèi)，龍口落差原型觀測值始終小于模型流量值。其主要原因為：該時段內(nèi)水面寬度增加是由于左岸預(yù)進(jìn)占戧堤坍塌引起的，而左岸預(yù)進(jìn)占戧堤坍塌后會由布置在左岸的備料填補，并且水位的變化存在有一定的時差，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口水位和戧堤上游水位持續(xù)增加，分流量增大，戧堤下游水位降低，所以在水面寬度增大的同時，龍口流量減小、截流落差依然增大。

2.4龍口單寬功率變化規(guī)律

不同龍口水面寬度下，龍口單寬功率原型觀測值和模型試驗值如圖6所示，分析圖內(nèi)數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論：

圖6　不同龍口水面寬度下龍口單寬功率對比

(1)在龍口寬度大于11.8 m時段內(nèi)，單寬功率原型觀測值均小于模型試驗值，原因在于模型試驗流量遠(yuǎn)大于實際截流流量，模型試驗中的截流落差，單寬流量值均大于對應(yīng)的原型觀測值。

(2)在龍口寬度在11.8 m～8.5 m區(qū)段內(nèi)，為本次截流最困難時段，戧堤進(jìn)占有一個不進(jìn)反退的過程，但原型觀測中該區(qū)段內(nèi)單寬功率峰值大于對應(yīng)龍口寬度下時的單寬功率值。

(3)在龍口寬度小于8.5 m后，單寬功率原型觀測值始終大于試驗流量為570 m3/s下對應(yīng)的單寬功率值。

3模型試驗與截流實施對比分析結(jié)論

通過對比截流施工及實測參數(shù)與模型試驗參數(shù)并進(jìn)行分析得出結(jié)論如下：

(1)根據(jù)工程進(jìn)度安排，截流時段選擇在2011年的4月份，設(shè)計流量為3月份20年一遇洪水流量506 m3/s，實際截流流量為233 m3/s～373 m3/s，均小于模型試驗時最小流量570 m3/s。按照模型試驗結(jié)論，本工程實際截流方式為單戧堤立堵進(jìn)占方案，戧堤布置在上游圍堰軸線前40 m，戧堤高選擇1 706 m(模型試驗中推薦高程基本相當(dāng))，且未采取拋石護(hù)底措施，工程截流實施基本順利且與模型試驗預(yù)測結(jié)果一致。

(2)對比原型觀測和模型試驗中各項水力學(xué)指標(biāo)表明：原型觀測中各項水力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律與模型試驗成果基本符合，說明模型試驗?zāi)軌蛑笇?dǎo)實際河道截流施工。

(3)由于模型試驗流量遠(yuǎn)大于原型觀測中流量，而二者對應(yīng)的龍口單寬功率卻大小基本相當(dāng)，甚至原型觀測值大于流量為570 m3/s下對應(yīng)的

單寬功率。分析原因為原型觀測中導(dǎo)流洞分流能力比模型分流能力差，導(dǎo)致原型與模型單寬功率接近。說明在河道截流施工中會具有更大的龍口單寬功率，故在山區(qū)河道截流中需考慮更大的截流難度。

(4)在施工中，根據(jù)工程現(xiàn)場的實際情況，及時果斷決策是模型試驗成果促使截流成功的關(guān)鍵。2011年4月2日，根據(jù)大渡河臨近汛期、來水量逐步加大的情況，及時決策啟動了截流各項工作; 4月5日上午，根據(jù)截流龍口的實際條件，及時調(diào)整了拋投方向和適當(dāng)向上游側(cè)加寬右岸戧堤，從而避開了左岸戧堤的薄弱部位，確保了截流順利成功。分析觀測資料可知，主要是選擇在臨近汛期前實施圍堰分流，上游由于下雨及冰雪融化，流量在5日8時，來水突漲并超過570 m3/s，且一直持續(xù)。

(5)導(dǎo)流洞分流效果不明顯。在截流戧堤處，河道主流位于河床中央，在天然情況下導(dǎo)流洞分流比約占總流量的9.4%。而觀測結(jié)果顯示，導(dǎo)流洞分流7.00 m3/s，分流比僅為2.62%，分流效果不明顯。分析得出導(dǎo)致實際分流困難的原因是導(dǎo)流洞殘埂增加了過水難度。

宋方剛(1984-)，男，陜西西安人，碩士，工程師，處長，現(xiàn)在國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司從事大型水電站施工管理工作；

馬旭東(1984-),男，四川達(dá)州人，工學(xué)博士，現(xiàn)在四川大學(xué)水利水電學(xué)院從事博士后研究工作；

戴光清(1954-),男，四川成都人，工學(xué)博士，四川大學(xué)教授(博導(dǎo))，主要從事水工水力學(xué)，流體量測技術(shù)領(lǐng)域研究；

丁治平(1985-)，男，陜西安康人，碩士，現(xiàn)在國電大渡河電力工程有限公司從事項目管理工作.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

金沙江水電開發(fā)質(zhì)量檢查專家組檢查烏東德籌建工程建設(shè)

2015年3月23至27日，由中國工程院院士張超然、鄭守仁、馬洪琪等13位專家組成的金沙江水電開發(fā)質(zhì)量檢查專家組來到烏東德工地實地檢查籌建工程建設(shè)質(zhì)量，這是專家組第二次赴烏東德檢查工程籌建情況。專家組集中查勘了籌建工程現(xiàn)場，查閱大量基礎(chǔ)資料，認(rèn)真聽取了參建各方的匯報，分組與參建各方進(jìn)行了專題交流，對質(zhì)量保證體系建設(shè)和執(zhí)行、以及籌建工程質(zhì)量進(jìn)行了全面檢查。同時，專家組還針對部分籌建工程項目的重大技術(shù)問題進(jìn)行了專題咨詢，提出了指導(dǎo)性的意見和建議。

收稿日期:2015-03-20

文章編號:1001-2184(2015)02-0103-03

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TV7；TU317+.1

作者簡介: