章文兵

（江西省修江水利电力勘察设计有限责任公司，江西 南昌 330008）

1 工程概况

樟树水库是以灌溉供水功能为主的水库工程。水库位于德安县磨溪乡，灌溉农田166.67 hm2，工程等别为Ⅳ等、小（1）型水库工程。根据工程等别，确定永久建筑物的主要建筑物级别为4 级。枢纽工程由均质土坝、溢洪道、右岸灌溉取水涵闸及输水供水系统等组成。根据施工导流方式，市水利水电勘测设计院在可研阶段结合施工进度，选定枯水期围堰施工导流方案，并在水库右岸近坝位置增设一条12 m宽、14 m高、420 m长的1#导流隧洞，在1#导流隧洞左侧布置总长225.50 m的2#导流隧洞。围堰挡水标准为10月至次年4月枯水期10年一遇洪水设计流量642 m3/s，20年一遇设计流量1 040 m3/s。上下游围堰均为土石过水围堰，堰顶高程分别为34.40 m和28.10 m。根据进度安排，仅在2020年5-9月一个汛期由1#导流隧洞和基坑联合下泄来水，其后则通过坝体临时断面挡水。

2 过水围堰模型设计

为掌握水库施工导流阶段具体水流条件，结合河床地形条件校核施工导流方案的可靠性，保证围堰及水库大坝度汛安全，必须对樟树水库过水围堰导流模型进行试验。具体而言，采用动床正态模型并按照重力相似、阻力相似准则设计，比例尺为1：50。以上游围堰轴线以上500 m，下游围堰轴线以下700 m的总长度为模型制作范围，根据河道冲淤平衡原则，以上下游围堰堰面、坝体及下游围堰以下河床等为动床进行模型设计。

依据2020年4月30日前坝体和围堰度汛面貌，樟树水库过水围堰导流模型试验采用2年一遇、5年一遇、10年一遇和20年一遇过水工况所对应的325、407、642、1 040 m3/s四种洪水标准。选取代表性工况（见表1）进行导流模型定床试验，并基于分析结果展开动床试验，通过试验进行过水水面线测试；试验范围内水流流速及流态观测，上下游围堰流速分布；上下游围堰过流时水跃发生特征及关键部位流速流态观测；分析河床岸坡、基坑坝面及围堰结构冲刷；导流隧洞和围堰联合泄流情况模拟分析；围堰结构优化等。

表1 导流模型定床试验代表性工况表

3 定床模型试验

测试导流隧洞与围堰联合泄流时的分流能力，测试结果见表2。由表2 可知，20 年一遇工况下围堰上游实测水位为49.60 m，比设计值49.79 m 略低，表明该水库导流隧洞与围堰联合泄流能力基本满足设计要求。

表2 不同工况下导流隧洞分流量与上游水位实测值表

上游围堰在各级流量下堰前流态均处于平稳状态，过堰水流沿下游坡面下泄后流速逐渐增大，并形成水跃。水跃跃首主要出现在堰后首级斜坡坡面下部2/3～3/4处，高程约为28～32 m；水跃状态基本稳定，表层水体大量掺气且剧烈旋滚。在上游围堰和大坝覆盖层均未开挖的四个工况下河床平面形态对水流施加横向的约束作用，水流流过堰顶后发生严重侧收缩，两侧表现出明显的侧向卷流。在上游围堰和大坝覆盖层均已开挖以及大坝趾板已开挖工况下，右岸水流侧收缩特征仍十分明显。为保证樟树水库施工过程中水流形态平顺，将两道防护导墙增设在上游围堰堰顶两侧，经二次模拟验证，防护效果良好。

水流在各级流量下越过下游围堰堰顶并未发生较大跌落。在流量增大的过程中，因受到下游水位顶托的影响，水跃发生位置逐渐从下游围堰背水面向围堰堰顶爬升。不同工况下坝面流态均较为平稳，坝面处水流流速也表现为两侧大、中间小的形式；导流隧洞进口处水流则较为平顺，隧洞出口流量均表现为自由出流，水跃较为明显的出口引渠段水跃跃首与导流隧洞出口距离为70～180 m。下游河床水流流态则与导流隧洞出口水流和围堰下泄水流有关，水流流态主要随下游河床水位的升高而趋于平稳，回流逐渐减弱。

1 040 m3/s不同工况典型位置流速试验结果见表3。

表3 1 040 m3/s的典型位置流速试验结果表 单位：m/s

4 动床模型试验

4.1 原方案动床试验

结合导流隧洞运行实际，拆除上游围堰侧堰面定床，增设护面面板护堰结构，该护堰面板原型长10 m、宽10 m、厚0.80 m，试验模型长20 cm、宽20 cm、厚1.60 cm。在试验过程中，为保证模拟过程及结果的准确性，还应进行每块混凝土面板勾缝处理，以模拟面板间钢筋连接，并通过水泥砂浆处理面板和两岸，保证其可靠连接。按照设计尺寸进行围堰面板、堰体及下层垫料厚度、粒径等模拟。动床试验过程中，当流量为325 m3/s时，上游围堰结构侧面板基本处于稳定状态，而当流量增大至407 m3/s 时，面板在约为28 m 处被掀起，为分析其他因素的影响，进行了护堰面板的重新铺设。二次试验中护堰板仍在跃首部位出现倾覆式破坏。

4.2 堰面保护措施优化后的动床试验

上游围堰过水堰面原方案使用长10 m、宽10 m、厚0.80 m的混凝土面板，模拟试验中屡遭掀起破坏，为此必须进行原设计护面结构形式的优化。在全面分析上游围堰过水堰面板受力情况、失稳原因、施工工艺等的基础上，将上游围堰护面方案从单块混凝土护面面板形式调整混凝土整体浇筑形式，并顺水流向按照12 m 间隔设置纵缝，在上游围堰下游侧平台增设孔径20 cm、孔距2.00 m排水孔。按照优化后的方案重新进行模型动床试验，一次性模拟8月洪水过程，根据模型时间比尺，在模拟过程中将流量325、407、642、1 040 m3/s 的放水时间分别设置为2.50、1、1 和1 h，根据洪水过程线确定两个流量之间的过渡时间。

在以上过水时间及工况下模型试验过程中，上游围堰下游侧护面面板并未出现掀起、坍塌等破坏现象，结构稳定性符合设计要求，下游围堰下游侧护面面板和铅丝笼等结构也处于稳定状态。为提升围堰结构的安全性，增安全储备，还在模型中左右两岸、堰顶及护面面板处进行了切割，尽可能确保每条面板均处于独立状态，并尽可能模拟最为不利的工况；同时还针对上游围堰下游侧护面板和堰体进行隔离试验，论证其稳定性。以上试验表明樟树水库过水围堰优化方案切实可行。

5 结论

综上所述，樟树水库河床地形在平面对水流施加横向约束，故流经上游围堰堰顶的水流会发生严重侧向收缩，两侧发生明显斜向卷流，为此采取堰顶增设导墙，并对原混凝土面板结构优化。优化后上游围堰下游侧采用宽度12 m的整体浇筑混凝土面板，并增设排水孔，还将面板和四周堰体正常联结。模型试验结果表明，面板结构优化后上游围堰护面板运行未出现掀起、倾覆、坍塌等情况，安全稳定性较好。