趙銀超，米熱扎提，楊磊，吳都督，陳小云

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410004；2.水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室武漢大學(xué)，湖北武漢 430072；3.湖北水總工程勘察設(shè)計有限公司，湖北武漢 430050）

0 引言

截流是水電工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，在施工技術(shù)和施工組織上都有一定的難度。為保證截流工程安全高效的順利完成，需要對截流過程進行模型試驗研究，分析龍口各項水力參數(shù)的變化規(guī)律，為截流設(shè)計提供依據(jù)。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，截流技術(shù)理論逐步完善。1992年肖煥雄［1］編著的《施工水力學(xué)》，奠定了進一步研究截流的良好理論基礎(chǔ)。周厚貴、劉光廷等［2］針對三峽大江深水立堵截流進行堤頭坍塌計算研究，求出不同工況條件下的堤頭坍塌情況，進行有效的坍塌預(yù)報。楊文俊、鄭守仁等［3］在三峽工程明渠提前截流論證時，研究河床墊底加糙、雙戧堤截流配合等關(guān)鍵技術(shù)，建立了科學(xué)化、信息化、數(shù)字化截流框架體系及動態(tài)決策系統(tǒng)。范錫峨、胡志根［4］等計算雙戧堤立堵截流龍口水力要素時，提出用非恒定流計算方法求解戧堤間恒定流動時的水面線，分析龍口流速變化規(guī)律，研究上戧堤、下戧堤進占時截流落差分配之間的關(guān)系，提出相應(yīng)的雙戧堤截流優(yōu)越性判斷方法。賀昌海［5］對比了目前存在的風(fēng)險計算方法的優(yōu)劣，提出基于完整水力學(xué)計算的Monte-Carlo 法計算風(fēng)險率。隨著計算流體動力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬計算在水利工程中的應(yīng)用越來越普遍。劉綠波［6］、戴會超［7］和夏軍強［8］用數(shù)學(xué)模型模擬了三峽工程大江截流龍口水力特性。陸賀［9］結(jié)合數(shù)值模擬及物理模型試驗，研究了引水渠回水檻協(xié)助下的立堵截流水流特性。李登松［10］基于FLUENT二次開發(fā)的局部沖刷三維數(shù)值仿真平臺，分析了單向進占時戧堤沖刷特點及物理成因。

近年來，大江大河梯級開發(fā)方興未艾，故多有“一江多截”情況。若能有效利用上級電站進行調(diào)洪控泄，將會一定程度降低下級電站的截流施工難度。因此針對瀾滄江TB 水電站截流施工，綜合運用水工模型試驗以及數(shù)值模擬方法，分析研究了截流過程中的龍口水力要素，提出了截流推薦方案。并結(jié)合實際截流前的現(xiàn)場條件，采用上級電站調(diào)控泄流量的方式，降低了截流難度，保證了截流的順利實施，為今后類似截流施工提供了有益參考。

1 工程概況

TB水電站位于云南省迪慶州維西縣中路鄉(xiāng)境內(nèi)，電站樞紐由混凝土重力壩、泄洪設(shè)施、引水發(fā)電建筑物等組成。TB 水電站初期導(dǎo)流選擇圍堰一次性攔斷河床的隧洞導(dǎo)流方式。左岸布置2條導(dǎo)流隧洞，導(dǎo)流洞為城門洞型，全斷面襯砌標準過水?dāng)嗝鏋?1.5 m×11.68 m（寬×高）。

根據(jù)TB 水電站工程水文地質(zhì)條件，初設(shè)截流方案為：由左岸向右岸（右岸6 m裹頭）單戧堤單向立堵進占的截流方案。截流設(shè)計標準采用11 月上旬10 年一遇旬平均流量751 m3/s。對于提前截流方案，截流設(shè)計標準采用10 月下旬10 年一遇旬平均流量964 m3/s。

2 截流模型試驗設(shè)計

2.1 物理模型制作

為了TB 水電站截流施工任務(wù)的順利完成，對初設(shè)截流方案進行了物理模型試驗。試驗采用局部動床模型，按重力相似準則設(shè)計，模型長度比尺為λl=60。選取隧洞進口至壩軸線、下游圍堰至導(dǎo)流洞出口河床為動床，以測試截流過程中的河床沖刷。動床料粒徑以抗沖流速1.5～3.0 m/s來控制。

2.2 截流模型試驗方案

截流模型試驗主要方案如表1所示。

表1 截流模型試驗工況表Tab.1 Test cases of closure model test

2.3 數(shù)值模擬設(shè)計

采用Flow-3D 進行數(shù)值模擬計算。計算采用RNG k-ε 紊流模型，自由液面追蹤采用TruVOF 法，采用有限差分法進行離散。模型網(wǎng)格劃分時采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，綜合考慮試驗參數(shù)測試區(qū)域精度要求以及模擬計算時間，把整體模型分為三部分（section1、section2、section3），如圖1 所示。其中粉色部分計算區(qū)域精度要求較高，網(wǎng)格邊長設(shè)為1 m，左右兩部分網(wǎng)格邊長設(shè)為2 m，模型總網(wǎng)格數(shù)量在1 400萬左右。

圖1 模型網(wǎng)格塊劃分示意圖Fig.1 Diagram of model grid block

設(shè)置計算模型邊界條件時，Xmin為進水口（水流流向為X軸方向），該處選擇流量邊界Vfr并設(shè)定流進流量及水位條件；Xmax為下游水位控制點，該處選擇壓力邊界P并設(shè)定相應(yīng)下游水位。Ymax、Ymin、Zmin分別為模型計算區(qū)域兩側(cè)邊及底部，均設(shè)為固體邊界W；Zmax為模型上表面，選擇壓力邊界P，并設(shè)定壓強為0、體積分數(shù)為0。

3 初設(shè)方案截流成果分析

3.1 A工況截流模型試驗成果

該工況截流模型試驗過程中，戧堤頂寬30.0 m，頂高程1 628.00 m。采用0.06～0.80 m 粒徑的石渣混合料，平均拋投強度在400～550 m3/h，可順利完成截流。合龍后戧堤下游側(cè)的流失體主要是進占料流失，以及進占過程中河床底部的局部輕微沖刷。最終流失料約占戧堤體積的5.0%。在該工況下截流，龍口軸線處最大垂線平均流速為4.57～5.19 m/s；龍口最大單寬流量為19.28～21.75 m3/（s·m）；最大單寬功率為226.72～319.76（t·m/s·m）；截流最大落差為4.54～4.62 m。

A 工況截流最困難龍口寬度在28.8m 附近，該龍口寬度不同巖埂高度下的水力參數(shù)對比如下表2所示。

表2 截流龍口水力參數(shù)對比表（龍口寬度28.8 m）Tab.2 Comparison of hydraulic parameters of closure gap（The width of closure gap 28.8 m）

由上表可以看出，同一流量下，導(dǎo)流隧洞前巖埂高度從0～3 m 的變化過程中，戧堤上游水位變高，龍口分流量、龍口平均流速及落差等水力參數(shù)也都相應(yīng)的變大。其中戧堤落差增高0.3 m，龍口分流量增加35.76 m3/s，龍口平均流速增大0.64 m/s，龍口平均單寬功率增加93.04 t·m/s·m，整體截流難度呈增大趨勢。但在現(xiàn)有施工水平下采用推薦的拋投強度及用料粒徑，仍然可以順利完成截流。

3.2 B工況截流模型試驗成果

該工況截流模型試驗過程中，戧堤頂寬30.0 m，頂高程1 626.60 m，上挑角進占料粒徑約為0.30～0.60 m，跟進料則用0.06～0.80 m粒徑的石渣混合料，平均拋投強度400～550 m3/h（原型），可順利完成截流。合龍后戧堤下游側(cè)流失料體積約占戧堤體積的1.0%。在該工況下截流，龍口軸線處最大垂線平均流速為4.26～4.49 m/s；龍口最大單寬流量為18.58～19.43 m3/（s·m）；最大單寬功率為94.66～110.45（t·m/s·m）；截流最終落差為3.26～3.58 m。

B 工況截流最困難龍口寬度在20.7 m 附近出現(xiàn)，表3 對比了兩種工況截流最困難寬度時對應(yīng)的龍口水力參數(shù)。

表3 截流困難區(qū)段龍口水力參數(shù)對比表Tab.3 Hydraulic parameters comparison of difficult section of river closure

通過上表對兩種工況截流最困難區(qū)段龍口水力參數(shù)的對比分析可以看出，截流流量從751 m3/s 增加到964 m3/s 后，各項水力參數(shù)都相應(yīng)變大。其中戧堤落差增大了0.57～0.76 m，龍口平均流速增大了1.52～1.85 m/s，龍口平均單寬功率增大了132.06～209.31 t·m/s·m。從單寬功率指標分析，雖然截流流量增加的不多，卻引起了截流難度的明顯增加。

3.3 B工況截流數(shù)值計算成果

對B 工況隧洞進口3 m 巖埂工況下各個龍口寬度的水力參數(shù)進行了數(shù)值模擬計算。典型龍口寬度的整體流態(tài)及與模型試驗流態(tài)對比如圖2、3 所示，數(shù)值計算結(jié)果與模型試驗數(shù)據(jù)對比如表4所示。

表4 B工況數(shù)值計算與模型試驗水力參數(shù)對比表（3 m巖?。㏕ab.4 Comparison of hydraulic parameters between numerical calculation and model test in B test case（height of residual rock 3 m）

圖2 B工況整體流態(tài)圖（流量751 m3/s，龍口寬28.8 m，3 m巖?。〧ig.2 Flow pattern of test case B（discharge 751 m3/s，width of closure gap 28.8 m，height of residual rock 3 m）

由圖3可以看出，戧堤下游主流偏向右岸，與河床左岸之間形成回流，回流流速較小。數(shù)值計算流態(tài)與物理模型試驗流態(tài)極其相似。

圖3 B工況龍口流態(tài)對比圖（流量751 m3/s，龍口寬28.8 m，3 m巖?。〧ig.3 Comparison of flow pattern in test case B（discharge 751 m3/s，width of closure gap 28.8 m，height of residual rock 3 m）

通過表3 典型龍口寬度的龍口處水力參數(shù)對比可知，戧堤落差最大相差0.12 m，龍口分流量最大相差17.34 m3/s，龍口水深最大相差0.32 m，龍口平均流速最大相差0.33 m/s。數(shù)值計算成果與物理模型試驗實測數(shù)據(jù)整體差別較小，兩者數(shù)據(jù)吻合度較高，差值都在容許誤差范圍之內(nèi)，說明能采用上述數(shù)值模擬方法計算截流水力參數(shù)。

3.4 推薦截流方案

結(jié)合以上工況的截流模型試驗、數(shù)值計算成果及水力參數(shù)指標，綜合考慮目前國內(nèi)水電工程截流實踐，11 月上旬流量751 m3/s 工況下截流難度適中，推薦11 月上旬單戧堤立堵截流方案。該流量下，戧堤軸線斷面最大平均流速4.45 m/s；戧堤頭部最大垂線平均流速4.49 m/s；最大落差3.58 m；最大單寬功率110.45 t·m/s·m；困難區(qū)段在龍口寬度30～20.0 m 之間，最大水深8.94 m。拋投采用25T 自卸汽車，拋投強度為400～550 m3/h左右。拋投材料粒徑為0.06～0.30 m 及0.60～0.80 m，備料量2.18 萬m3（考慮1.1 的備料系數(shù)），整個合龍過程中有部分石渣料流失，所需最大拋投材料粒徑為0.80 m，數(shù)量0.4 萬m3；若大塊石開采有困難時，也可制作石籠（鉛絲石籠或鋼筋石籠）以取代部分大塊石。

4 現(xiàn)場截流成果分析

4.1 截流前數(shù)值模擬

由于現(xiàn)場相關(guān)項目施工進度提前，TB 水電站計劃提前至10月下旬截流。但現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流洞進口圍堰拆除時，進口殘留巖埂高度約為10 m，遠高于預(yù)計高度，導(dǎo)致隧洞分流條件急劇降低。加上實際施工工期臨近，河床地形及堆渣條件發(fā)生了較大變化，故采用Flow-3D軟件預(yù)先進行數(shù)值模擬分析，為實際截流施工提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考。根據(jù)實際截流前的水文條件，數(shù)值模擬主要考慮計算上游電站機組滿發(fā)流量及實際截流前區(qū)間流量1 000 m3/s、上游電站單機滿發(fā)流量及實際截流前區(qū)間流量550 m3/s 的情況。隧洞進口巖埂高度10 m，戧堤上下游河床按照實際堆渣地形模擬。

不同工況下的水流流態(tài)如圖4、5所示。各工況截流最困難區(qū)段的落差z、最大平均流速v、最大單寬功率n及相應(yīng)所需最大拋投粒徑d［9］與模型試驗A工況對應(yīng)數(shù)據(jù)比較如圖6所示。

由圖4、5可以看出，同一龍口寬度時，兩種工況流態(tài)特性相似，戧堤上下游水位變化明顯，龍口后主流偏向右岸，水流在戧堤后與左右岸之間相繼形成回流區(qū)，回流流速較小。

圖4 龍口寬度B=35 m時整體流態(tài)圖（流量550 m3/s；10 m巖?。〧ig.4 Flow pattern with closure gap width B=35 m（discharge 550 m3/s，height of residual rock 10 m）

由圖6截流流量1 000 m3/s和964 m3/s下不同巖埂高度時的龍口水力參數(shù)對比中可以看出，10 m 巖埂工況龍口處的水力參數(shù)遠大于3 m 巖埂工況時的水力參數(shù)，所需最大拋投材料粒徑分別為1.5 m 和0.75 m。導(dǎo)流洞進口前10 m 巖埂對導(dǎo)流洞分流產(chǎn)生了較大影響，提高了戧堤上游水位，使龍口各項水力參數(shù)都相應(yīng)增大，從而大大提高了截流難度。

截流流量對截流難度的影響是不言而喻的。通過圖6 中550 m3/s 和1 000 m3/s 兩種工況時龍口處水力參數(shù)對比可以看出，流量為550 m3/s 工況龍口水力參數(shù)明顯小于流量為1 000 m3/s工況的龍口水力參數(shù)，所需最大拋投材料粒徑也有0.7 m之差。在導(dǎo)流隧洞前巖埂較高、分流差的現(xiàn)場條件下，若能控制上級電站泄流、減小來流量是降低截流難度的有效措施。雖說TB水電站與上級電站屬于同一流域梯級公司，但由于上級電站需要保證最低日發(fā)電效益，不能完全停機不泄流。經(jīng)協(xié)商上級電站在截流期間下泄單機滿發(fā)流量?？紤]實際截流前區(qū)間流量，結(jié)合模型試驗及數(shù)值模擬分析，總來流量550 m3/s作為實際截流流量是合適的。

圖5 龍口寬度B=28 m時龍口局部流態(tài)圖（10 m巖?。〧ig.5 Local flow pattern with closure gap width B=28 m（height of residual rock is 10 m）

圖6 截流最困難區(qū)段龍口水力參數(shù)對比圖Fig.6 Hydraulic parameters comparison of the most difficult section of river closure

4.2 截流現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

該工程最終在2021 年10 月25 日進行了截流預(yù)進占（流量1 000 m3/s），26日順利完成了截流施工（截流流量550 m3/s）。實際截流施工過程中，也進行了現(xiàn)場截流水力參數(shù)的測試記錄。相近龍口寬度時數(shù)值計算與實際截流的龍口水力參數(shù)對比如表5所示。

（1）通過表5的參數(shù)對比分析結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果十分接近，戧堤落差差別在0.02～0.26 m，隧洞分流比差別在0.85%～6.57%，龍口平均流速差別在0.22～0.47 m/s，龍口單寬功率差別在44～160 t·m/s·m。數(shù)值模擬對截流施工提供了有效的數(shù)據(jù)參考。

表5 龍口特征水力參數(shù)對比表Tab.5 Hydraulic parameters comparison of the closure gap

（2）在實際截流過程中，截流拋投強度為11～15 m3/min（原型），平均400～500 m3/h（原型），即為25 t 自卸汽車每分鐘拋投強度為0.3～0.4車，歷時4 h順利截流。

（3）河床地形及堆渣情況也對截流難度有一定的影響。下游河床形成堆渣，戧堤后水位較高，形成龍口處較小的上下游落差，降低了截流施工難度。雖說河床堆渣可以部分降低截流難度，但堆渣進入河床后增加了后續(xù)基坑開挖工程量，影響其工期，進而影響到主體建筑物的施工。因此，盡量控制壩肩開挖落渣，不允許其進入河床，同時可在戧堤下游龍口范圍內(nèi)適當(dāng)堆渣，降低龍口處水流落差，從而降低截流難度。

5 結(jié)論

（1）通過模型試驗以及數(shù)值模擬對初設(shè)截流方案進行了研究分析。數(shù)值模擬與模型試驗流態(tài)規(guī)律相似，龍口各項水力參數(shù)相近，模擬結(jié)果合理可信?？紤]國內(nèi)水電截流工程實踐，提出11 月上旬751 m3/s 流量單戧堤立堵截流推薦方案，截流難度適中。

（2）瀾滄江TB 電站樞紐截流工程于2021年10月26日順利實現(xiàn)大江截流。截流現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與截流前數(shù)值模擬結(jié)果吻合度高。成果表明所采用的數(shù)值計算方法能夠模擬實際截流過程，模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法可對截流工程的實施提供科學(xué)決策依據(jù)。

（3）由于上游電站與本電站屬于同一業(yè)主公司運營，協(xié)調(diào)后上游電站進行了下泄流量的控泄，極大程度降低了實際截流難度。在截流施工條件差、隧洞分流受限的情況下采用“控泄助截”模式進行截流，為流域公司運營的電站進行截流設(shè)計與施工提供了成功實例參考。