潘明鴻，陳 輝，左永振，黃天寶

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，537226，桂平；2.長江水利委員會長江科學(xué)院，430010，武漢）

一、工程概述及研究方法

大藤峽水利樞紐施工導(dǎo)流采用二期導(dǎo)流方式。 一期導(dǎo)流先圍左岸，江水由束窄后的右岸河床過流。 在一期圍堰的保護下， 施工河床20 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔、 左岸廠房、左岸擋水壩等建筑物。 二期導(dǎo)流圍右岸， 江水由一期建成的20 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔過流。在二期圍堰的保護下，施工河床4 孔泄流低孔、1 孔泄流高孔、右岸廠房、右岸擋水壩等建筑物。 截流方式為從右岸一側(cè)單戧堤進占，立堵截流。

二期深水圍堰截流有流量大、龍口段河床深切、截流拋填工程量大的特點。 二期上、下游圍堰采用混凝土防滲墻接黏土心墻土石圍堰，土石方總填筑量223×104m3， 混凝土防滲墻1.34×104m2，填筑工程量巨大，且須在一個枯水期內(nèi)完成施工， 施工強度大。 二期土石圍堰的安全性主要取決于防滲體系，圍堰防滲型式為混凝土防滲墻上接黏土心墻防滲，堰體水下部分主要由開挖石碴料及砂礫料水中拋填形成，并在拋填體中成槽澆筑塑性混凝土防滲墻，水上部分接碾壓黏土心墻及石碴料等堰體。

二期深水圍堰截流試驗研究采用三維數(shù)值模擬與整體水工模型試驗、 局部水工模型試驗相結(jié)合的方法，對截流過程進行模擬研究，模擬截流拋填過程中出現(xiàn)的各種不利條件。 分析不同截流方式參數(shù)，優(yōu)化截流戧堤布置，提出降低截流難度的合理截流方式，為截流設(shè)計提供依據(jù)。

二期深水圍堰長期高水位運行研究采用室內(nèi)堰體與防滲墻特性參數(shù)試驗、數(shù)值模擬對比分析相結(jié)合的方法，設(shè)計出防滲、穩(wěn)定的堰體，提出合理的結(jié)構(gòu)型式及圍堰監(jiān)測要求。

二、模型建立

1.物理模型

根據(jù)河道特征、河床形態(tài)、地形特點， 結(jié)合截流拋投料模擬等要求，將模型確定為定床正態(tài)模型，比例尺為1∶80、1∶40， 模型按重力相似準則設(shè)計。 1∶80 截流整體模型模擬原體壩軸線上游3.0 km 至下游2.8 km 共5.8 km 范圍， 尾水控制斷面為壩下2+649.00；1∶40 局部模型模擬原體壩軸線上游0.6 km 至下游0.6 km 共1.2 km 范圍， 尾水控制斷面為壩下0+600.00。

模擬試驗拋投材料種類和規(guī)格如下：石碴料：粒徑0.25～0.75 cm；小石：粒徑0.75～1.5 cm；中石：粒徑1.25～2.0 cm；大石：粒徑1.75～3.0 cm；四面體：單個重20 t 或30 t，r=2.40 t/m3；大塊石串：原型粒徑1.2 m，3～4 個一串，柔性連接；鋼筋石籠：規(guī)格2 m×2 m×2 m，原型重量16 t，模型重量245 g。

原型設(shè)計拋投強度為10 m3/min，模型試驗拋投強度為1 000 cm3/min。

2.數(shù)學(xué)模型

三維數(shù)值模擬研究采用的數(shù)學(xué)模型為：采用基于結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格的FAVOR 方法及真實的三步TruVOF方法，求解三維不可壓縮黏性流體運動的Navier-Stokes 方程， 應(yīng)用GMRES 方法求解離散方程，采用單相流體模擬水流流動。 求解采用有限體積法、二階迎風(fēng)格式，壓力—速度耦合采用壓力校正法，離散方程求解采用廣義的極小殘差GMRES 法， 時間差分采用全隱格式。

截流三維數(shù)值模擬研究計算范圍選取在縱向混凝土圍堰右側(cè)部分，模型進出口分別選取在壩軸線上游0-600 斷面和壩軸線下游0+600 斷面。 根據(jù)整體模型試驗結(jié)果，主河道與左側(cè)導(dǎo)流明渠之間的分流線取縱向軸線向右岸方向偏轉(zhuǎn)8°近似。

截流三維數(shù)值模擬研究主要計算截流戧堤堤頭龍口附近水力參數(shù)，因此在截流戧堤堤頭和龍口區(qū)域380 m×190 m 范圍進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸為0.8 m， 從此區(qū)域往外網(wǎng)格尺寸逐漸增加，最大為2.2 m。 計算區(qū)域有效網(wǎng)格數(shù)量1 490 萬。 網(wǎng)格數(shù)量根據(jù)不同計算工況與水位有所變化。

3.模型試驗成果及分析

（1）一期上圍拆除高程影響分析

在一期上游圍堰全線拆除條件下，針對圍堰不同拆除高程的影響進行試驗研究。 對截流戧堤合攏上、下游的水位差值（未閉氣）進行對比。

當截流流量Q=2 380 m3/s， 一期圍堰拆除底高程為23.00 m、24.00 m、25.00 m 時，截流最終落差分別為1.73 m、1.89 m、2.67 m，相對圍堰全部拆除至22 m 時的1.64 m 落差分別增大0.09 m、0.25 m、1.03 m；

當截流流量Q=3 870 m3/s， 一期圍堰拆除底高程為23.00 m、24.00 m、25.00 m 時，截流最終落差分別為1.70 m、1.76 m、2.22 m，相對圍堰全部拆除至22 m 時的1.66 m 落差分別增大0.04 m、0.10 m、0.56 m。

兩級流量試驗成果相比可知，大流量時一期上游圍堰拆除高程對截流終落差的影響相對較小。

（2）截流龍口位置比選

考慮不同龍口位置對截流難度的影響，對于龍口位于主河槽和龍口位于左岸灘地兩種情況進行了截流難度的對比試驗。 試驗條件為：一期圍堰全線拆除至高程22 m，流量采用10 月下旬多年平均流量3 870 m3/s。

龍口位于主河槽，即將龍口設(shè)置在主河道最深點附近。 先從左岸進行預(yù)進占， 利用一期上游圍堰拆除料，進行縱向圍堰右側(cè)巖石漫灘部位的預(yù)進占，左岸戧堤進占至巖石漫灘邊緣，做好戧堤裹頭防護，然后從右岸進行進占截流。

龍口位于左岸灘地， 即龍口設(shè)置在縱向圍堰右側(cè)22.00 m 高程灘地，截流戧堤從右岸單側(cè)進占至縱向圍堰。

經(jīng)對比，兩種情況下都能順利合龍。 龍口位于深槽的方案雖然落差和流速小，但龍口水深、流量大，相對龍口位于灘地的方案，在龍口寬80～20 m時，流量約為1 016～86 m3/s，深槽的大塊石用料量多2.6×104m3（含裹頭7 680 m3）， 且需在左戧堤做20 m 石籠裹頭，施工難度大，施工條件也復(fù)雜。 故推薦龍口位于左岸灘地布置。

（3）推薦方案截流進占試驗

經(jīng)過試驗研究最終確定截流推薦方案：戧堤軸線為直線布置，軸線與縱向混凝土圍堰夾角81.64°； 戧堤總長285.0 m，戧堤頂高程29.87 m，戧堤頂寬度15.0 m；龍口位于左岸灘地。

截流龍口段試驗： 一期上游圍堰全部拆除至23 m， 龍口段100 m 至0 m， 截流龍口進占由右岸非龍口段預(yù)進占堤頭單向立堵進占至縱向圍堰。龍口段進占流量為1 050 m3/s、2 380 m3/s、3 870 m3/s。

①預(yù)進占

通過觀測預(yù)進占流量4 350 m3/s，以及工況一（一期上游圍堰拆除至25 m、剩余100 m）和工況二（一期上游圍堰全部拆除至23 m、 下游圍堰剩余155 m）的落差、流速和用料等參數(shù)，以石渣料能進占的寬度作為龍口寬度的標準， 結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，并參考類似工程，確定截流龍口寬度為150 m。此時，進占落差小于0.80 m，流速在3.00 m/s 左右。

②龍口段進占

上游來流沿縱向圍堰平順進入明渠，水流行進至上口門，由于上戧堤軸線進占方向向下游偏斜，與水流方向斜交，水流受堤頭上挑角挑流作用明顯， 堤頭軸線及下挑角斷面為回流且流速較小， 挑流線在軸線處距堤頭約25 m， 與戧堤軸線夾角約45°～60°，戧堤下游右側(cè)河道右岸側(cè)為狹長回流區(qū)，隨著口門縮窄回流區(qū)不斷向下游延伸。 堤頭挑流作用明顯，能保護軸線及下挑角拋投材料，同時堤頭上挑角處水流穩(wěn)定，水流對堤頭無明顯頂沖，戧堤軸線方向合理。

推薦方案條件下，一期上游圍堰全部拆除至23 m，截流流量1 050 m3/s，截流最終落差為1.88 m， 龍口最大流速5.11 m/s， 龍口最大平均流速4.85 m/s，戧堤頭部最大流速4.28 m/s，截流最大塊石尺寸1.2～1.6 m；截流流量為2 380 m3/s 和3 870 m3/s 時， 截流難度有所降低。

通過物理模型試驗各種截流工況計算不同截流龍口寬度對應(yīng)最大床面切應(yīng)力，認為預(yù)留龍口寬度100 m 較為合理，對應(yīng)最大床面切應(yīng)力為18.18Pa。

（4）三維數(shù)學(xué)模型計算成果

通過三維數(shù)學(xué)模型分析可知，由于截流戧堤采用右岸單側(cè)進占，在河道過流寬度束窄后，龍口下泄水流主流位于縱向混凝土圍堰右側(cè)22.00 m高程河漫灘上，縱向混凝土圍堰堰腳處于高流速區(qū)，堰腳處流速最大可達5.0 m/s 以上， 截流戧堤堤頭上游側(cè)對水流的挑流作用明顯， 在堤頭下游側(cè)形成一流速較小回流區(qū)。

床面切應(yīng)力較大區(qū)域基本與高流速區(qū)相對應(yīng)，位于截流戧堤堤頭上游側(cè)邊坡和22.00 m 高程漫灘。 最大切應(yīng)力發(fā)生位置一般位于戧堤堤頭上游側(cè)坡中、龍口位置床面和一二期工程結(jié)合部右側(cè)位置床面。同時縱向混凝土圍堰堰腳位于高流速區(qū)，因此縱向圍堰堰腳切應(yīng)力數(shù)值沿線均較大，在20.0 Pa 以上， 截流過程中應(yīng)對縱向圍堰堰腳做好防護。

三、二期圍堰長期高水位運行關(guān)鍵技術(shù)研究

1.堰體填料的工程特性研究

針對圍堰填料的水下拋填密度和水下坡角、圍堰填料的力學(xué)特性與滲透變形特性、砂礫石料與塑性混凝土的接觸特性等問題，進行了離心模型試驗、填料水下拋填密度和水下坡角試驗，結(jié)合相對密度試驗、大型壓縮試驗結(jié)果和類似項目經(jīng)驗，對二期圍堰拋填料和碾壓料的室內(nèi)試驗干密度提出了建議；針對拋填料、碾壓料進行了大型三軸試驗、大型壓縮試驗、滲透變形試驗，推薦了拋填料、碾壓料的抗剪強度指標、E～μ(B)變形參數(shù)及滲透特性指標；采用大型疊環(huán)式剪切儀，進行填料與塑性混凝土防滲墻之間的大型剪切試驗，揭示了塑性混凝土與填料界面切應(yīng)力—切位移規(guī)律，并按照雙曲線模型整理出了接觸面非線性模型參數(shù)。

2.塑性混凝土防滲墻材料研究

通過塑性混凝土的配合比試驗，優(yōu)選出試驗配合比為S13 號、S17 號，即水泥用量達130 kg/m3及140 kg/m3時，塑性混凝土28 d 抗壓強度分別為2.8 MPa 及3.0 MPa（黏土摻量120～140 kg/m3），90 d 抗壓強度分別為3.4 MPa及3.8 MPa；S3 號、S10 號的水泥用量為160 kg/m3及200 kg/m3， 塑性混凝土7 d 抗壓強度分別為3.0 MPa 及4.4 MPa，28 d 抗壓強度分別為5.4 MPa 及7.2 MPa。 混凝土模強比均低于250。滲透系數(shù)在i×10-7～i×10-8cm/s量級范圍，均滿足一般防滲墻的抗?jié)B要求。 針對優(yōu)化配合比，確定了塑性混凝土防滲墻材料的各種物理力學(xué)指標及其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參數(shù)。 施工前應(yīng)復(fù)核塑性混凝土配合比、確定施工配合比。 施工中應(yīng)加強對水泥、砂石骨料等原材料質(zhì)量控制，摻入黏土?xí)r宜采用濕摻法以泥漿形式摻入。

3.二期圍堰斷面優(yōu)化設(shè)計研究

采用試驗獲得的堰體填料參數(shù)，模擬施工填筑及水位升降過程，針對二期上游圍堰典型斷面開展平面二維有限元應(yīng)力變形計算分析，對塑性混凝土防滲墻進行參數(shù)敏感性分析，提出相應(yīng)優(yōu)化建議。 建立二期上游圍堰的三維整體模型，進行圍堰三維非線性有限元應(yīng)力變形計算分析，獲得圍堰與防滲體系的三維應(yīng)力變形性狀，分析防滲體系破壞可能性，詳細論證圍堰設(shè)計方案安全性，對有安全隱患的部位，提出合理的工程建議。

①完建期堰體豎向位移極值為27.2 cm，占最大壩高的0.54%，向上游的水平位移極值為-8.0 cm，向下游的水平位移極值為11.6 cm，大主應(yīng)力極值為-1.3 MPa； 蓄水期堰體豎向位移極值為31.6 cm，占最大壩高的0.63%，向上游的水平位移極值為-7.2cm，向下游的水平位移極值為14.3 cm，大主應(yīng)力極值為-1.6 MPa。 堰體的應(yīng)力變形在合理的范圍內(nèi)。

②防滲體系中的塑性混凝土應(yīng)力水平極值為0.85，小于1.0，二維與三維防滲墻豎向壓應(yīng)力極值分別為-5.8 MPa 與-5.3 MPa。

③防滲墻頂部50 cm 厚常態(tài)混凝土順河向拉應(yīng)力極值為5.1 MPa， 壩軸向拉應(yīng)力極值為9.8 MPa，拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，存在安全隱患， 建議對常態(tài)混凝土全斷面配筋處理， 防止防滲體系的局部破壞。

4.二期圍堰滲透穩(wěn)定性分析

針對二期圍堰的地質(zhì)特性及堰體結(jié)構(gòu)，開展一系列滲流計算分析工作，評價圍堰的滲透穩(wěn)定性，并根據(jù)需要提出完善設(shè)計和加強施工控制的建議。

①土工膜、混凝土防滲墻等防滲體系為二期圍堰提供了較好的滲控效果， 墻后堰體內(nèi)的浸潤面低且平緩，滲透比降較小，滲透穩(wěn)定程度滿足要求。 滲流量主要來自堰基，單寬流量為0.60 m3/(d·m)。 ②圍堰運行期基坑開挖后，應(yīng)重點考慮基坑邊坡的滲透穩(wěn)定。 基坑開挖到底后，邊坡的一、二級平臺均有出逸。 開挖前需做好基坑周邊和平臺的降水和排水措施。 ③根據(jù)三維滲流計算結(jié)果，防滲墻入巖形成封閉式防滲后，基坑開挖前后排水量變化不大， 約為135.6～140.6 m3/d。如果河床或左岸灘地表層存在防滲墻未全截斷的局部弱風(fēng)化透水層，則可能導(dǎo)致基坑排水量明顯增大，施工中須注意防范。