一種樞紐大壩的基底施工方法
【專利摘要】本發明公開了一種樞紐大壩的基底施工方法，包括先挖除中低水頭壩直接持力層中的軟弱地層，然后再按照中低水頭壩的埋深對基底進行挖掘的施工步驟；其中，中低水頭壩的埋深按以下步驟確定：a、根據工程設計要求，確定下游水深、護坦末端最大單寬流量以及上下游的水位差，初步計算中低水頭壩的理論埋深；b、對壩下區域的基巖進行取樣測試分析，獲取基巖的抗沖流速；c、計算壩下區域在自然狀態下的最大沖刷深度；d、根據壩下區域的沖刷深度對中低水頭壩的理論埋深進行修正，確定中低水頭壩的埋深為沖刷深度與理論埋深之和。本發明具有能夠準確預知壩下局部沖刷的深度，合理布置水工建筑物的埋深，提高水電樞紐工程的使用壽命等優點。
【專利說明】
一種樞紐大壩的基底施工方法
技術領域
[0001] 本發明涉及中低水頭壩防護領域，特別的涉及一種樞紐大壩的基底施工方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國攔河閘壩工程的日益增多，修建水電工程所引起的問題也越發得到關 注。在中低水頭的水電樞紐中，上下游水位存在一定的水位差產生，下泄水流往往具有很大 的流速，并且攜帶了較大的能量。這些巨大的能量如果得不到消散，就會對下游河床、河岸 進行沖刷，而下游河段的覆蓋成大多也是沖積形成，抗蟲能力較差，河床就會沖刷成坑，當 這些沖刷坑的位置距離水工建筑物太近，并且坑深較大時，就會對閘壩工程產生破壞作用， 嚴重影響水電樞紐工程的使用壽命。目前，設計單位也很難對壩下最大沖刷深度和沖刷坑 形態進行比較準確的計算，往往造成建筑物的部分或整體遭到嚴重破壞，造成巨大經濟損 失，同時還給下游人民的安全帶來威脅。據不完全統計，在我國的103座大中型水電樞紐當 中，由于各種原因導致水工建筑物發生破壞的67座，其中因為沖刷破壞的就有58座，分別占 總數的65%和56.7%。
[0003] 平原及山區河流上應用最為廣泛的水電樞紐工程就是中低水頭的閘壩工程，它一 般由沖沙閘、泄水閘壩、船閘和電站等建筑物組成。閘壩基本都建在覆蓋層較厚的沙礫石河 床上，泄水閘一般具有水頭低、流量大、消能率低、弗氏數低的特點。郭子中（1982)在對底流 消能的研究中發現，當Fr〈4.5時，消能率一般在20%~40%之間，導致壩下水流紊動劇烈， 造成河床容易沖刷成坑。經過多年的研究，大單寬流量、低水頭、低佛氏數水躍的消能防沖 問題及樞紐下游沖刷深度的準確預測依然是當今水利專家難以解決的重要問題（2008， 2010)。設計單位在進行水電樞紐工程的設計時，準確的預知壩下局部沖刷的深度，合理布 置水工建筑物的結構與埋深，將大大減小樞紐運行后被水毀的風險。
[0004] 目前，中低水頭的水電樞紐在我國屬于遍地開花的態勢，對于壩下局部沖刷深度 的研究也顯得越來越迫切。影響壩下局部沖刷深度的因素很多，并且它們相互之間的關系 非常復雜。在以往的研究中，為了把問題簡單化，往往只考慮一兩個主要因素，針對某個方 面進行定向研究，但這種簡化后的計算模式往往只能針對某一特定工程，已經不能滿足現 在廣泛的工程需求。

【發明內容】

[0005] 針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：如何提供一種能夠準 確預知壩下局部沖刷的深度，有利于合理布置水工建筑物的結構與埋深，提高水電樞紐工 程的使用壽命的樞紐大壩的基底施工方法。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案：
[0007] -種樞紐大壩的基底施工方法，包括先挖除中低水頭壩直接持力層中的軟弱地 層，然后再按照中低水頭壩的埋深對基底進行挖掘的施工步驟;其特征在于，所述中低水頭 壩的埋深按照以下步驟確定：
[0008] a、根據工程設計要求，確定中低水頭壩的下游水深ho、護坦末端最大單寬流量q以 及上下游的水位差H，初步計算中低水頭壩的理論埋深a;
[0009] b、對壩下區域的基巖進行取樣測試分析，獲取基巖的抗沖流速V。；
[0010] c、計算壩下區域在自然狀態下的最大沖刷深度心，采用如下公式進行確定：
[0011] hP=1.471q0-256ho0-713H°- 031Vc_0-256-ho
[0012] d、根據壩下區域的沖刷深度hP對中低水頭壩的理論埋深a進行修正，確定中低水 頭壩的埋深為沖刷深度心與理論埋深a之和。
[0013] 這樣，即使中低水頭壩的壩下區域的沖刷深度達到最大沖刷深度hP，中低水頭壩 仍然有足夠的理論埋深，從而能夠提高中低水頭壩的抗沖刷能力，提高電樞紐工程的使用 壽命。
[0014] 綜上所述，本發明具有能夠準確預知壩下局部沖刷的深度，有利于合理布置水工 建筑物的結構與埋深，提高水電樞紐工程的使用壽命等優點。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明中壩下區域的沖刷深度示意圖。
[0016] 圖2為最大沖刷坑水深T的計算值與實測值的對比圖。
[0017]圖3為最大沖刷深度心的計算值與實測值的對比圖。
[0018] 圖4為最大沖刷坑水深T采用沙塔克利公式的計算值與實測值的對比圖。
[0019] 圖5為最大沖刷坑水深T采用水閘設計規范公式的計算值與實測值的對比圖。
[0020] 圖6為最大沖刷坑水深T采用毛昶熙公式的計算值與實測值的對比圖。
[0021] 圖7為最大沖刷坑水深T采用崗恰羅夫-羅欣斯基公式的計算值與實測值的對比 圖。
[0022] 圖8為各公式計算結果與潼南模型試驗成果沖刷坑水深比較圖。
[0023] 圖9為各公式計算結果與利澤模型試驗成果沖刷坑水深比較圖。
[0024] 圖10為各公式計算結果與潼南模型試驗成果沖刷坑深度比較圖。
[0025] 圖11為各公式計算結果與利澤模型試驗成果沖刷坑深度比較圖。
[0026] 圖12為單寬流量q對沖刷深度心的影響分析圖。
[0027] 圖13為上下游水位差Η對沖刷深度心的影響分析圖。
[0028] 圖14為下游水深ho對沖刷深度hP的影響分析圖。
[0029] 圖15為單寬流量q、上下游水位差Η及下游水深ho對沖刷深度hP的影響對比分析圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0031] 1、壩下區域的沖刷深度公式的推導
[0032] 如圖1所示，壩下局部沖刷的影響因素眾多，總的概括表現在水流運動條件和基巖 抗沖能力兩個方面。由于壩體攔沙的影響，泄水閘下泄水流為清水，因此不考慮下泄水流中 所含少量泥沙對壩下局部沖刷深度的影響。
[0033] 通過對壩下局部動床沖刷定義的分析，結合前人在這一方面的一些研究現狀，將 影響中低水頭壩下局部沖刷深度的主要因素概括為以下兩個方面：
[0034] 1、水流條件包括下游水深ho、護坦末端最大單寬流量q以及上下游的水位差Η;
[0035] 2、基巖抗沖能力用基巖的抗沖流速(不沖流速)V。。
[0036] 因此，可用以下的函數形式來表示壩下局部沖刷水深：
[0037] F(T,q,ho,H,Vc)=0 (1)
[0038] hP = T-ho (2)
[0039] 式中，I^PhP分別表示壩下局部最大沖刷坑水深和最大沖坑深度。
[0040] 1.1、公式推導
[0041 ]由于式（1)中的變量較多，并有量綱，處理起來比較麻煩，需要通過因次分析把這 些變量轉化為無量綱參數。
[0042]因次分析的結果與所選擇的基本變量有關，這里我們選取ho、V。為基本變量，用它 們去表示其他變量，并根據量綱和諧原則，可建立如下無量綱的函數關系式：
[0044]將(3)建立的量綱和諧的壩下局部沖刷水深計算公式一般寫作無量綱參數η次方 的乘積形式，ΒΡ
[0046] 將式(4)化簡可得到如下的壩下局部最大沖刷坑的水深：
[0047] T = y0qnh^H^ (5)
[0048] 因此，壩下局部最大沖刷深度：
[0049] hp -k〇 (6)
[0050] 1.2、參數率定
[0051] 為求得式(5)與式(5)中7〇、71、72、73、74這5個系數』|^^^4)的等式兩邊同時取對 數，轉化為多元線性關系式，采用多元線性回歸分析方法確定有關系數和指數。
[0053]運用線性回歸模型結合SPSS統計分析軟件，研究壩下局部沖刷水深與護坦末端最 大單寬流量q、下游水深ho、上下游水位差H、基巖抗沖流速V。之間的關系。假設的線性回歸的 模型為W=a+bX+cY，其中W代表
。回歸分析中所需要的數
(據系列由收集到的9個中低水頭壩下局部動床沖刷試驗的水 工模型資料來計算，包括有：當卡水電樞紐水工模型、草街水電樞紐水工模型、犍為水電樞 紐水工模型、巨亭水電樞紐水工模型、鎖兒頭水電樞紐水工模型、麒麟寺水電樞紐水工模 型、偏橋水電樞紐水工模型、黃豐水電樞紐水工模型、那吉水電樞紐水工模型，的實測壩下 局部沖刷資料。
[0054]這些所收集的資料涵蓋的各水力要素的范圍較廣(表1)，隨機從這些實測資料中 抽取50項對公式(6)進行線性回歸分析，其余資料用于公式的驗證。
[0055] 表1各水力因素的涵蓋范圍
[0056] Table2.1 Coverage of each hydraulic factors
[0058] 基于最小二乘法，運用SPSS軟件對隨機抽取的實測資料進行線性回歸分析，得到 回歸模型的相關系數與公式(4)的各個參數(表2)。
[0059] 表2回歸系數表
[0060] Table2~2 Regression coefficient
[0063]從上表可知：回歸模型的相關系數R = 0.798，，說明回歸模型線性擬合好，各因素 間可建立較好的線性方程。
[0064]擬合回歸方程各因子的參數：
[0065] 1η(χ〇)=0·367，χι = 0·286，Χ2 = 0·038
[0066] 因此，壩下局部沖刷水深回歸方程為：
[0068] 式中：Τ表示壩下局部沖刷水深，q表示護坦末端單寬流量，Η表示上下游水位差，ho 表示下游水深，V。表示基巖抗沖流速。
[0069]為簡化計算，上式可換算成：
[0070] T = 1.443q0.286h〇0.676H 0.038Vc-0.286 (9)
[0071] 從式(9)中可以了解到，各個因子對中低水頭壩下局部沖刷水深的影響程度是:下 游水深ho最大，其次是單寬流量q和抗沖流速V。，上下游水位差對沖刷水深的影響最小。 [0072]所以壩下局部最大沖刷深度：
[0073] 1^=1.4719°.25?)°.71?°.° 3^-°.256-h。 （10)
[0074] 2、公式驗證
[0075] 2.1、公式驗證與比較
[0076]采用前期收集到的80組水工模型資料除用于公式推導所隨機抽取的50組數據外 的30組數據進行推導公式的驗證。這些資料包括:高翔等人在考慮河床地址條件、泄水閘結 構與泄水特點的綜合影響，設計了巨亭水電站的閘壩斷面模型，用以研究閘壩式水電站下 游的局部沖刷問題，并以試驗結果推導了用以計算閘壩式水電站壩下局部沖刷深度的新公 式，同時通過黃豐、鎖兒頭、偏橋、麒麟寺水電站的壩下局部沖刷深度驗證該公式在應用于 計算此類水電站壩下局部沖刷深度時的可行性;劉向宇等人在研究當卡水電站壩下局部沖 刷的問題時，推導了適用于該處的壩下局部沖刷深度公式，并于實測結果取得了較好的吻 合度;石磊等人通過草街水電樞紐動床沖刷試驗證明了閘下局部沖刷與樞紐建成后整體河 床變形密不可分的關系;孟翔瑋等人采用1:30的水工模型進行那吉水電樞紐壩下局部沖刷 試驗，并提出了壩面曲線及消能工的優化方案，用以改善消力池水流條件、減小了沖刷；西 南水運工程科學研究所在進行犍為水電樞紐整體水工模型試驗的同時設計了動床沖刷試 驗，用以研究壩下局部沖刷深度。驗證資料特征值見表3。
[0077] 表3驗證資料特征值表
[0078]
[0079] 根據各項水力數據代入推導公式求得壩下最大沖刷水深與最大沖刷深度的計算 值，并于模型實測的數據進行比較，結果見圖2和圖3。
[0080] 從圖2和圖3可以看出，壩下局部最大沖刷水深與最大沖刷深度在推到公式理論計 算值與模型實測之間的誤差都比較小，驗證數據點群基本都分布在對角線附近。最大沖刷 水深與最大沖刷深度的計算值與實測值的相關性都比較高，其R 2的值分別為0.9183與 0.7514,說明推導公式的精確度比較高。
[0081] 為進一步判斷公式在用于計算時的可靠性，選取前文提到的適用性較廣的沙塔克 利公式、水閘設計規范公式、毛昶熙公式與崗恰羅夫-羅欣斯基公式對推導公式驗證所采用 的30組數據進行驗證計算，將得到的最大沖刷水深的計算值與模型實測值相比較，并與推 導公式進行對比，綜合分析推導公式與其他公式在計算山區河流壩下局部沖刷水深時的優 劣性。比較結果見圖4~圖7。
[0082]由圖4~圖7可知，在計算壩下局部沖刷水深時，沙塔克利公式、水閘設計規范公 式、毛昶熙公式與崗恰羅夫-羅欣斯基公式的相關系數R2值分別為0.5669、0.497、0.7649、 0.5861，沒有推導公式的R2值大，說明推導公式計算得到的壩下局部最大沖刷水深值相比 其他公式更接近模型實測值，推導公式的可靠性更高。
[0083] 2.2、誤差分析
[0084]為了進一步驗證推導公式的精度，對沙塔克利公式、水閘設計規范公式、毛昶熙公 式、崗恰羅夫-羅欣斯基公式與推導公式的驗證計算結果進行誤差分析，表4所列為誤差分 析結果。
[0085] 表4公式驗證誤差分析表
[0086] Table2.5 Comparison of error by formula
[0089] 注:散點比率10%指誤差小于10%的散點的比率，散點比率20%指誤差小于20% 的散點的比率，下同。
[0090] 根據表4的誤差分析結果可知，對驗證數據進行計算時，沙塔克利公式、水閘設計 規范公式、毛昶熙公式的平均誤差分別為33.6%、38.79%、18.99%、33.34%，其中誤差小 于10%的散點所占的比例分別為20%、10%、33%、10%，誤差小于20的散點所占的比列分 別為30%、23%、43%、30%，從各方面都反映這3個公式在計算壩下局部最大沖刷水深時的 誤差相對較大。采用推導公式對驗證數據進行計算時，理論計算值與模型實測值的平均誤 差為11.38%，誤差小于10%的散點所占的比列為63%，誤差小于20%所占的比例為83%， 驗證結果好于其他三個公式。由此可見，相對于其他公式而言，文中推導的山區河流壩下局 部沖刷公式的誤差更小，精度更高，可用于估算山區河流壩下局部沖刷深度。
[0091 ]考慮基巖抗沖能力與壩下穩定水深的影響，引入抗沖流速(V。)和下游水深(ho)，結 合護坦末端最大單寬流量(q)、上下游水位差(H)，采用量綱分析的理論，結合最小二乘法， 根據收集到的實測水工模型資料進行參數率定，得到新的計算山區河流壩下局部最大沖刷 沖刷水深的公式。并通過部分剩余的模型實測資料驗證了公式的精確度，與其他公式的計 算結果進行對比，誤差更小。
[0092] 3、壩下局部動床沖刷試驗
[0093] 3.1、潼南航電樞紐壩下局部動床沖刷試驗
[0094] 潼南航電樞紐位于涪江中下游河段，在潼南縣城涪江大橋下游約3km的河段處，區 內河谷兩側略不對稱，呈寬闊"U"型，兩岸山坡地形坡角30°~45°，局部緩坡約10°~15°。河 谷底寬240m~340m，河床面高程221.2m~228.2m，237.2m處河谷寬373m。
[0095] 河床主要為砂卵礫石層，厚度小于3m，部分河床第二巖組強風化基巖直接出露，強 風化較薄。砂卵礫石層呈松散狀，其下呈稍密狀，偶夾漂石，無架空現象，未發現連續分布的 砂層，且下部含泥量較高。岸邊表層為沖洪積的粉土、粉質粘土，厚度為0.2m~1.3m，松散堆 積;下部一般為砂卵礫石層，夾漂石，密實度較高。
[0096] 泄水閘壩基礎由侏羅系中統上沙溪廟組上段第二巖組的粉細砂巖、細砂巖組成， 夾粉砂巖、泥質粉砂巖。第四系松散堆積層主要分布在河床、漫灘、階地(I級)和兩岸坡腳及 緩坡低洼地帶。
[0097] 實驗時，先制作試驗模型，模型制作以斷面板法為主，同時輔等高線法相配合。模 型底部填筑塊石與河沙混合料，表層采用水泥砂漿抹面進行硬化處理，泄洪閘及電站等樞 紐主要過水建筑物由聚氯乙稀塑料板制作。在模型平面上用三角網進行控制，高程由水準 儀進行測定。制模河段全長約6.5km，共塑造了 92個斷面控制河道地形，模型斷面間距約 60cm左右。對局部地形變化較大的河段和部位適當加密斷面板，并以輔等高線法相配合，以 能準確控制河床地形。制模過程中嚴格控制精度，制模結束后進行了系統的檢驗，以確保模 型平面誤差小于±〇.5cm(模型值），高程誤差小于±lmm(模型值），且不存在系統誤差，從而 保證了模型與原型達到幾何相似的要求。達到了《內河航道與港口水流泥沙模型技術規程》 JTJ-2002規定的幾何相似精度控制指標。
[0098] 潼南樞紐采取的消能方式是底流消能，在泄洪沖沙閘下布置有消力池及輔助消能 工，消力池的容量即池長和池深。但在實際工程中，由于經濟等因素的限制，不可能把消力 池做到足夠大，因此往往出池水流仍具有一定能量，水流仍具有急變流的特征，余能的耗散 依靠水流沖刷河床增加沿程摩阻來達到。實際中消力池下游的河床在天然情況下是由沙卵 石和巖石組成的可動邊界，在水流的作用下，將會發生變形，形成各種形狀的沖刷坑，出池 水流的流動邊界將會發生顯著變化，其流動邊界不但上部水面是個自由面，其下部床底也 是可變的，使問題變得十分復雜，在工程上急需解決的問題是河床變化的情況，河床在出池 水流作用下形成沖刷坑的深度、范圍和位置是工程上最關心的，這對于工程防沖措施的確 定、對于工程安全是至關重要的。由于問題的復雜性和重要性，本次試驗以潼南樞紐終結布 置方案為基礎制作模型，同時擴大動床范圍，驗證閘下游河床沖刷的范圍和沖坑深度，為下 游河床防沖設計提供可靠的基礎依據。
[0099] 在考慮改善樞紐泄洪沖砂閘的泄流條件，提高出閘水流的消能效果的情況下，對 泄洪沖沙閘及下游消能工進行了一些優化布置：
[0100] (1)泄水閘段分廂：調整第6孔與第7孔閘之間施工縱向圍堰上下游保留長度和高 程，閘上游縱向圍堰保留60m長，高程降低至236.20m;閘下縱向圍堰保留90m，末端至消力池 尾坎以后壩0+115.5m，頂高程降低至235.00m。在第12孔和13孔閘之間下游設長60m，末端至 壩0+85.50m，頂高程235.0m的縱向隔墻，將泄洪沖砂閘下游分為三廂。
[0101] (2)增設消力池:樞紐消能設防的重點主要是在上游來流量Q〈5500m3/s的時段，這 時庫水位高，泄流量大，下游水位低。為此，在中廂（即第7至12孔閘）下游設置雙排消力墩及 消力池，消力池長40m，池深3 · 5m，池底高程221 · 50m，池內設一排T形消力墩，墩頂高程 224.50m，消力池末端設差動式尾坎(也可采用整體式連續坎），尾坎頂高224.50m，尾坎嵌入 中風化砂巖以下3. Om，尾坎后設塊石防沖槽，槽內埋設重量不小于500kg的塊石體(混凝土 塊），其后以1:10緩坡與下游河床相接。
[0102] 3.1.1、閘下游局部動床模型設計
[0103]為能反映消力池下游河床在水流作用下的沖刷情況及沖刷對下游引航道通航條 件的影響，根據對閘下消能效果的分析，擬定動床范圍包括電廠下游，泄洪沖砂閘下游至船 閘下引航道口門河段，橫向最大寬4.5m，長5.5m有效面積約24.75m2,（相當于原型寬450m， 長550m面積約24.75萬m 2)，該范圍能夠完全包括樞紐不同運行工況下閘下游可能的沖淤情 況。
[0104]電廠尾水池下游開挖平臺高程為224.00m，泄洪沖砂閘下游開挖平臺高程為 226.00m。樞紐中部泄水建筑物18孔泄洪沖砂閘下游河床，其頂面有沙卵石覆蓋層，層厚一 般0~3m，其下層為砂質粘土巖夾長石細砂巖、粉砂巖組成。因此，模型沖料設計按上述二層 要求設計。
[0105] (1)沙卵石層模型沖料設計
[0106] 工程河段無實測推移質泥沙資料，因此根據上游遂寧過軍渡電站的設計資料，河 床質中值粒徑為28.0mm，平均粒徑為44.0mm，最大粒徑200mm。沙卵石層模型沖料選用中梁 山精煤加工，由粒徑比尺可求出模型河床質組成特征值：
[0107] dm9〇=14.66mm dm5〇 = 4.66mm dm25 = l .68mm
[0108] 由河床質級配曲線選配模型沖料，鑒于細顆粒泥沙在沖刷中的作用較小，因此，在 泥沙級配中重點保證d5Q相似。
[0109] (2)巖石河床沖料的設計
[0110] 潼南樞紐河段沙卵石覆蓋層較淺，沙卵石抗沖流速低，在沖刷初始階段將會很快 被沖刷光，下層基巖將暴露處于受沖部位，因此，在沖刷模擬中巖石沖刷必需加以考慮。
[0111] 巖石沖刷機理較為復雜，模擬方法一般以巖石抗沖流速為標準，采用散粒體法進 行模擬試驗。
[0112] 根據相關資料分析閘下河床巖石的抗沖流速為3.5~4.Om/s。通過分析了壩址河 段基巖的組成，并參考了國內外已建類似工程的原型觀測資料，認為潼南壩址河床的抗沖 流速采用1 = 4. Om/s，仍是偏于保守的。
[0113]基巖的沖刷材料選擇采用當量粒徑法，計算出散粒體粒徑，用礫石進行模擬，散粒 體粒徑可用下式進行換算：
[0115] 式中：V。表示基巖的抗沖流速，m/s;K表示系數，一般取5~7,本處取6; (^表示當量 粒徑。
[0116] 將V抗和K帶入式（11)計算得到散粒體的當量粒徑
根據模型比尺 將散粒體當量粒徑換算成模型的沖料粒徑
> 因此，模型沖料選擇γ s = 2.651:/1113，丫。=1.801:/1113'中值粒徑為0.0044111爍石。
[0117] 在進行試驗時，首先采用專用管道向閘下游河床充水，待動床模型沙浸泡密實，且 尾水基本達到設計尾水位后，再開啟閘門進行正式沖刷試驗。沖刷時間根據以往的經驗和 實踐，每次沖刷模型上控制在2.5~3.5小時，相當于原型22.4~31.3小時，沖刷坑深度已接 近穩定沖深。
[0118] 此時停水進行沖深測量，測定沖坑深度、沖坑位置及大小，測量采用等高線法，并 用照相記錄。
[0119] 局部沖刷試驗條件見下表5。
[0120] 表5局部沖刷試驗條件表
[0121]
[0122] 動床沖刷試驗進行 了上游來流量 Q= 1830m3/s、2500m3/s、3005m3/s、4500m 3/s 和 9000m3/s、15200m3/s、23700m3/s等7級流量7種運行工況的沖刷試驗，主要試驗成果列于表6 中。
[0123] 表6局部沖刷試驗成果表
[0124]
[0126] 通過動床沖刷試驗可以發現：
[0127] (1)潼南樞紐壩下河床局部沖刷深度與泄水閘下泄單寬流量的大小、上下游水位 差以及閘門開度有關。最大沖刷深度發生在Q = 4500m3/s時，此時庫水位236.20m，通過控制 泄洪沖砂閘閘門的開啟，使下泄流量較為集中，單寬流量較大，導致壩下局部河床沖刷相對 較深，達到最大的5.30m。
[0128] (2)在試驗過程中通過觀察發現：沖刷過程是分階段進行的。沖刷發生的初始階 段，河床表層的沙卵石層在很短的時間內就被出池水流沖刷殆盡，隨后開始對河床基巖造 成沖刷，沖刷速度也越來越慢。為了更好的研究河床的沖刷過程，試驗過程中對Q = 4500m3/ S時的下游沖坑進行了定點觀測。通過觀測發現:在沖刷開始的9~13分鐘(相當于原型1.48 ~2.23小時）內，河床表層的沙卵石層幾乎被沖光；在沖刷開始大概45分鐘（相當于原型 7.45小時）左右時，沖刷坑坑底的高程已達222 . Om，此時沖深為4.00m，大約占總深度的 75%，之后的沖刷過程更加緩慢，直到沖刷時間達到3小時（相當于原型30小時），此時沖坑 深度達到5.3m，沖刷坑處于平衡的狀態，出池水流不再對壩下局部河床造成進一步的沖刷。
[0129] (3)當泄水閘敞泄時，上下游水位差快速減小，導致下泄水流對河床的沖刷減小， 說明壩下局部沖刷深度與上下游的水位差成正比。例如在流量Q = 23700m3/s時的最大沖深 為3.40m，僅為4500m3/s流量閘下游河床沖深的64%。沖坑深度減小了 1.90m。
[0130] (4)通過在試驗過程中的觀察發現，消力池隔流墻的尾端往往會集中大量流量，弓丨 起該處的單寬流量較大，從而導致隔流墻的下游形成較大沖刷。
[0131] 3.2、利澤航運梯級壩下局部動床沖刷試驗
[0132] 利澤航運樞紐工程位于重慶合川市利澤鄉上游約3.5km的嘉陵江干流上，壩址以 上控制集雨面積81100km2。占嘉陵江流域的50.7%，工程上下游分別為桐子壕和草街航運 樞紐。工程正常蓄水位為210.725m，水庫總庫容為6.19億m3,電站裝機容量74MW(4X 18.5MW)，船閘設計通過能力為2 X 500t，為II等工程，其永久性主要建筑物為2級，次要建筑 物為3級，臨時建筑物為4級，是以航運為主，兼顧發電等水資源綜合利用的航運樞紐工程。 樞紐主要永久性建筑物泄洪沖砂閘、船閘閘首及閘室、電站廠房、門庫段、左右岸連接段等 均為2級建筑物，洪水標準為100年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核;次要永久性建筑物 導墻、攔沙坎、船閘導航墻和靠船墩等均為3級建筑物，洪水標準為50年一遇洪水設計，500 年一遇洪水校核;消能防沖建筑物洪水標準為50年一遇洪水設計。
[0133] 樞紐主要建筑物有船閘、泄洪沖沙閘、電站廠房、魚道、左、右岸擋水壩等，通航建 筑物為IV級航道，通過500t級船舶，船閘有效尺度采用120 X16X3.0m(長X寬X檻上水 深）；泄洪沖沙閘位于河床中央，設14孔，閘孔凈寬14m，型式為寬頂堰，堰頂高程200m，工作 門選用平板鋼閘門，采用固定卷揚機啟閉。發電廠房為河床式，布置在河床的右側，安裝4臺 燈泡貫流式水輪機組。魚道布置在河床右岸，采用隔板式魚道，池寬3m，池長4m，底坡1:60， 進口及集魚系統位于廠房尾水出口右側，出口位于上游廠房進水渠右側。兩岸擋水壩段頂 寬9m，左岸重力壩段長77m，右岸連接壩段長20m。樞紐壩段總長556.9m，壩頂高程為 238.50m。
[0134] 泄洪沖砂閘14孔，每孔孔口寬14m，泄洪沖砂閘基本位于主河槽位置。閘門擋水高 度12.3m，閘底板高程200.00m，建基面高程194.50m，閘基均置于弱風化砂巖上。墩頂高程 238.50m，閘室長120m，閘頂交通橋寬10.0m(其中行車道寬7m、兩邊人行道寬共1.5m)，布置 在閘室上游側，連接左右兩岸交通。右7孔閘后設長41.00m的消力池，采用底流消能，右11孔 閘下設長102.00m消力池，采用面流消能。末端設大卵石防沖槽。閘室底部設一排防滲帷幕， 帷幕間距2.0m，帷幕深入相對隔水層(單位吸水率小于5Lu)以下5m。
[0135] 利澤樞紐壩址地處嘉陵江干流利澤鎮作坊院子~鍋蓋石河段，區內河谷斷面呈寬 緩不對稱的"U"型谷，左岸陡右岸緩，左岸為基巖岸坡，坡度一般30~50°，右岸有階地分布， 呈臺階狀地形，地勢相對平緩，總體坡度15~20°。河床堆積物為含漂卵礫石夾砂，漫灘堆積 物上部粉土，下部為含漂卵礫石夾砂。厚度變化較大。
[0136] 壩址左岸船閘軸線內側為0.25~2.5m厚的粉土，軸線外側為0~2.5m厚的砂卵石； 堆石壩(龍埂）以左的漫灘一帶，地表分布2~7.25m厚的含漂卵礫石夾砂層;泄洪沖砂閘地 段零星分布0.3~1. Om厚的砂卵石，右岸分布厚2~6.5m厚的粉土。
[0137] 閘壩下游河床砂卵石厚度0.0~6.76m，結構松散，礫卵石的磨圓度和球度均較好， 礫卵石之間的孔隙率偏大，主要由中細砂充填，密度偏小，抗沖刷能力弱；下伏基巖為粉砂 質泥巖或砂巖，強風化帶巖體厚度〇.〇~4.5m，其巖性軟弱，且裂隙發育、呈碎裂結構，完整 性差、透水性較強、強度低、抗沖刷能力較弱，同樣需采取抗沖刷保護措施，建議抗沖流速5 ~6m/s〇
[0138] 利澤樞紐模型在綜合考慮改善樞紐泄洪沖砂閘的泄流條件，提高出閘水流的消能 效果，改善電廠進水及尾水水流和防沙條件以及改善船閘上下游引航道口門區布置及通航 水流條件等多方面的因素，在泄流消能防沖方面進行了多方面的優化：
[0139] (1)為改善樞紐閘門的運用條件，有利于樞紐下游消能防沖和重點設防的布置以 及下游引航道口門區水流條件的改善，利用施工混凝土縱向圍堰將消力池分為四廂。泄洪 沖砂閘最左 1#、2# 為第I廂，3#、4#、5#、6#、7#為第11廂，8 #、9#、10#、11#、12#為第111廂，最右13 #、 14#兩孔為第IV廂，本I、II、III、IV相鄰兩廂之間下游設長60m，末端至壩0+88m，頂高程 208. Om的縱向隔墻，將泄洪沖砂閘下游分為四廂。
[0140] (2)為改善閘下游的消能條件，穩定水躍，降低出消力池水流流速，減小下游河床 沖刷，推薦方案降低了經常運用的Π 、ΙΠ 廂消力池底板，消力池底板高程由197.0m降低到 196 ·Om;并將第II、第III廂消力池池長延長1 Om，消力池末端至0+88m;同時在II、III廂消力 池內增設單排T型消力墩，T型消力墩尺寸3 · 5m*3 · 5m*5 · 5m(高*寬*長）。
[0141] (3)結合閘室分廂和下游消力池重點設防的消力布置，優化泄洪沖砂閘的調度方 案，在上游來流量Q〈7000m3/s時，采用第II、第III閘廂，閘門局部開啟或間隔開啟方案。
[0142] 3.2.1、閘下游局部動床模型設計
[0143] 為完全反應樞紐不同運行工況下閘下游可能出現的沖淤情況，并同時考慮消力池 下游河床在水流作用下的沖刷情況及沖刷對下游引航道通航條件的影響，擬定動床范圍包 括電廠下游，泄洪沖砂閘下游至船閘下引航道口門河段，橫向最大寬6m，長6.5m有效面積約 39m 2,（相當于原型寬600m，長650m面積約39萬m2)。
[0144] (1)沙卵石層模型沖料設計
[0145] 嘉陵江是一條多沙河流，工程河段推移質無實測資料，根據北碚河段河床質取樣 分析，采用愛因斯坦公式計算得北碚河段多年平均推移質輸沙量為12.48萬t。再根據嘉陵 江利澤河段床沙顆粒級配表(表7)所列資料，采用修正后的竇國仁公式計算，得到利澤壩址 豐、中、枯年的推移質沙量年平均約為5.2萬t，最大推移質沙量約為6.4萬t(豐水年）。
[0146] 表7嘉陵江利澤河段床沙顆粒級配表
[0147]
[0148] 沙卵石層模型沖料選用中梁山精煤加工，由粒徑比尺可求出模型河床質組成特征 值：
[0149] dm9〇= 10.54mm dm5〇 = 4·43mm dm3〇 = l .82mm
[0150] 由河床質級配曲線選配模型沖料，鑒于細顆粒泥沙在沖刷中的作用較小，因此，在 泥沙級配中重點保證d5Q相似。
[0151] (2)巖石河床沖料的設計
[0152] 利澤樞紐模型巖石河床沖料設計采取與潼南模型相同的散粒體當量粒徑模擬法， 以巖石的抗沖流速為標準模擬巖石的沖刷機理。
[0153] 前文中已經提到壩址區河床巖石的抗沖流速為5.0~6. Om/s，通過分析壩址河段 基巖的組成，并參考國內外已建類似工程的原型觀測資料，認為利澤壩址河床的巖性較弱， 裂隙發育，完整性較差，透水性較強，因此建議取其小值，抗沖流速采用t = 5.Om/s，較為合 適。
[0154] 根據公式（11)可以計算得到利澤壩址區基巖的當量粒徑
^根 據模型比尺將散粒體當量粒徑換算成模型的沖料粒徑
。因此，模型沖 料選擇 y s = 2.65t/m3, γ 〇 = 1.80t/m3' 中值粒徑為0.0069m爍石。
[0155] 在進行試驗時，首先采用專用管道向閘下游河床充水，待動床模型沙浸泡密實，且 尾水基本達到設計尾水位后，再開啟閘門進行正式沖刷試驗。沖刷時間根據以往的經驗和 實踐，每次沖刷模型上控制在2.5~3.5小時，相當于原型22.4~31.3小時，沖刷坑深度已接 近穩定沖深。此時停水進行沖深測量，測定沖坑深度、沖坑位置及大小，測量采用等高線法， 并用照相記錄。
[0156] 局部沖刷試驗條件見表8。
[0157] 表8閘下局部沖刷試驗條件表
[0158]
[0159] 動床沖刷試驗進行 了上游來流量 Q=2600m3/s、4300m3/s、5000m3/s、6750m 3/s、 10600m3/s 和 13300m3/s、16400m3/s、20500m3/s 和 24400m3/s 共九級流量的沖刷試驗，主要試 驗成果列于表9中。
[0160] 表9局部沖刷試驗成果表
[0163] 通過分析動床沖刷試驗成果可以發現：
[0164] (1)壩下河床局部沖刷深度與泄水閘下泄單寬流量的大小、上下游水位差和閘門 開度等有關。最大沖刷深度發生在Q = 4300m3/s時，此時庫水位210.725m，通過控制泄洪沖 砂閘閘門的開啟，使下泄流量較為集中，單寬流量與上下游水位差均相對較大，壩下局部河 床沖刷相對較深，最大沖深達到4.50m。
[0165] (2)沖刷過程分階段進行，在沖刷發生的初始階段，河床表層的砂卵石層在很短的 時間內就被出池水流沖刷殆盡，隨后開始對河床基巖造成沖刷，沖刷速度也越來越慢。根據 對第二組試驗Q = 4500m3/s下游沖坑定點觀測發現:在沖刷開始后10~15分鐘（相當于原型 1.67~2.50小時），表層沙卵石層幾乎全部被沖光，在沖刷開始后50分鐘（相當于原型8.33 小時）后，沖坑底高程已達196.4m，沖深已達3.6m，約占總深度的80%，以后沖刷就逐漸緩 慢，直到沖刷3小時(相當于原型30小時)后坑深達到4 · 5m。
[0166] (3)在流量Q>6750m3/s全閘敞泄時，上下游水位差大幅減小，但同時單寬流量增 大，受其綜合影響，壩下局部沖刷深度有增有減，變化相對較小
[0167] (4)通過在試驗過程中的觀察發現，消力池隔流墻的尾端往往會集中大量流量，弓丨 起該處的單寬流量較大，從而導致隔流墻的下游形成較大沖刷。
[0168] 綜合考慮上游來流與河床地質對壩下局部沖刷深度的影響，進行潼南航電樞紐與 利澤航運樞紐兩個工程實例的壩下局部動床沖刷試驗。運用合理的模型相似比尺制作水工 模型，通過水面線驗證和流速驗證表明水工模型可以較真實、形象的反映原河床地形以及 水流運動狀態，其模擬結果可以用來反映該河段水流的實際運動狀況與壩下局部沖刷情 況。動床沖刷試驗結果表明壩下河床局部沖刷深度受泄水閘下泄單寬流量的大小、上下游 水位差和閘門開度等因素的綜合影響，潼南樞紐與利澤樞紐的修建所引起的壩下局部最大 沖刷深度分別為5.3m與4.5m，分別發生在Q = 4500m3/s與Q = 4300m3/s的流量下。
[0169] 為了研究推導公式與現有的毛昶熙公式、水閘設計規范公式、崗恰羅夫-羅欣斯基 公式在計算中低水頭壩下局部沖刷深度上的優劣性，評價推導公式對中低水頭壩下局部沖 刷深度的預測效果，將推導公式的計算結果與動床沖刷試驗成果、現有3個公式計算結果的 平均值進行綜合性的對比分析，結果見圖8~11。
[0170] 通過圖8~11的推導公式計算結果與模型試驗成果、現有公式平均值的比較發現： 推導公式計算結果與模型試驗成果更為接近;而現有公式平均值與模型試驗值相差較大， 且不同流量下的沖刷深度變化較為劇烈，導致圖中出現陡升陡降的情況。通過對公式的結 構分析發現:現有的毛昶熙公式、水閘設計規范公式、崗恰羅夫-羅欣斯基公式在對同一個 模型的沖刷問題進行計算時，引起沖刷深度變化的主要因素只有單寬流量，由于泄水閘控 制開度與泄流孔數，小流量下可能出現相對較大的單寬流量，中大流量下出現相對較小的 單寬流量，導致現有公式在計算沖刷深度時，小流量下的深度偏大，大流量下的深度相對偏 小；而論文中的推導公式充分考慮了單寬流量、上下游水位差與下游水深對壩下局部沖刷 深度的綜合影響，因此其計算結果相對更為平緩，與模型試驗成果更為接近。
[0171] 為了更直觀的反映推導公式與現有公式在計算沖刷深度時誤差，現以模型試驗成 果為基準，將推導公式與現有公式平均值進行誤差分析，結果列于表10~13。
[0172] 表10潼南樞紐沖刷坑水深誤差分析表
[0173]
[0174] 注：誤差1表示推導公式計算值與試驗值差值的絕對值跟試驗值的比值;誤差2表 示現有公式平均值與試驗值差值的絕對值跟試驗值的比值，下同。
[0175] 表11利澤樞紐沖刷坑水深誤差分析表
[0176]
[0177] 表12潼南樞紐沖刷深度誤差對比表
[0178]
[0180] 表13利澤樞紐沖刷深度誤差分析表
[0181]
[0182]從表10~13的對比結果可以看出：推導公式的計算結果相比現有公式的的計算結 果，誤差明顯偏小。對于潼南樞紐，推導公式計算得到的壩下最大沖坑處的水深與模式試驗 所得水深的誤差較小，在1.21%~11.54%之間，平均誤差只有4.49;與之相比，現有公式平 均值的誤差最小也在4.35%，最大的更是超過了 15%，平均誤差也達到了 9.22%。根據沖刷 水深計算出的最大沖刷坑的深度，推導公式的計算結果的平均誤差只有13.5%，而毛昶熙 公式、水閘設計規范公式、崗恰羅夫-羅欣斯基公式計算結果的平均值的誤差達到32.86%。 對于利澤樞紐最大沖坑處的水深，新的推導公式的誤差在1.92%~7.10%之間，平局誤差 只有4.26% ;而現有公式均值的誤差在6.64%~22.83%之間，平均誤差達到12.54%，接近 推導公式平均誤差的4倍;推導公式所得的最大沖坑的深度的平均誤差是15.82%，比之現 有公式計算均值的誤差平均值的50.01 %小得多。綜合上述誤差分析結果可知:論文中新推 導的公式相比現有公式在計算中低水頭壩下局部沖刷問題上更有優勢，誤差相對更小，沖 坑深度的誤差基本保持在20%以內。
[0183] 4、影響因素分析
[0184]從上面推導公式在實際中的應用可以知道，推導公式的計算結果與模型試驗成果 較為一致，其誤差相比其他現有公式來說更小，可靠性更高。但公式中各因素對沖刷深度的 影響如何，為何推導公式的可靠性相對更高還有待進一步分析。
[0185] 4.1單因素影響分析
[0186] 對于同一個模型，其抗沖流速V。往往取一定值。因此，文中從單寬流量q，上下游水 位差H，下游水深ho這3個方面分析各自對潼南和利澤壩下沖刷深度的影響。比較分析見圖 12 ~14〇
[0187] 從圖12~14可以看出：壩下局部沖刷是一個非常復雜的問題，單寬流量q、水位差Η 與下游水深ho作為單因素對比沖刷深度在走向上明顯不一致，說明壩下局部沖刷深度是受 單寬流量q、水位差Η與下游水深ho等因素的綜合影響，當僅考慮其中一個因素時，結果會存 在較明顯的偏差。而現有的毛昶熙公式、水閘設計規范公式與崗恰羅夫-羅欣斯基公式在用 于計算壩下局部沖刷深度時，都只主要考慮了單寬流量q對沖刷深度的影響，所以其計算結 果對比模型試驗成果的誤差相對較大。
[0188] 4.1、多因素綜合影響分析
[0189] 為進一步說明上述判斷，將單寬流量q、水位差Η與下游水深ho這3個因素按推導公 式的形式綜合起來，與模型試驗成果的沖刷深度進行比較分析。結果見圖15。
[0190] 從圖15可以看出：按推導公式將3個因素的綜合影響所計算出來的參數與模型試 驗成果在趨勢走向上是比較一致的，進一步說明推導公式的可靠性，同時這也是推導公式 計算結果的誤差相對更小的原因所在。
[0191] 通過結合兩個樞紐動床沖刷試驗的成果，將新推導的壩下局部沖刷公式與現有的 毛昶熙公式、水閘設計規范公式、崗恰羅夫-羅欣斯基公式用于計算潼南和利澤壩下局部的 最大沖刷深度，并與模型試驗結果進行對比分析，發現推導公式計算的最大沖深的誤差基 本在20%以內，比之現有公式計算結果的誤差更小，從而更進一步證明新的推導公式適用 于計算山區河流中低水頭壩下局部最大沖刷深度，且可靠性較高。從而能夠幫助設計單位 在進行水電樞紐工程的設計時，準確的預知壩下局部沖刷的深度，在對水工建筑物進行施 工時，利用預知的壩下局部沖刷的深度對水工建筑物的埋深進行修正，在原來的理論埋深 的基礎上增加壩下局部沖刷的深度，對基底進行施工。這樣，當樞紐大壩投入使用后，對壩 下區域進行沖刷，即使沖刷的深度達到最大值，也能夠保證樞紐大壩的埋深符合安全要求， 大大減小樞紐運行后被水毀的風險，提高了樞紐大壩的使用壽命。
[0192] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不以本發明為限制，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種樞紐大壩的基底施工方法，包括先挖除中低水頭壩直接持力層中的軟弱地層， 然后再按照中低水頭壩的埋深對基底進行挖掘的施工步驟;其特征在于，所述中低水頭壩 的埋深按照以下步驟確定： a、 根據工程設計要求，確定中低水頭壩的下游水深ho、護坦末端最大單寬流量q以及上 下游的水位差Η，初步計算中低水頭壩的理論埋深a; b、 對壩下區域的基巖進行取樣測試分析，獲取基巖的抗沖流速V。； c、 計算壩下區域在自然狀態下的最大沖刷深度心，采用如下公式進行確定： hP = 1.471q0-256ho0-713H°- 031Vc_0-256-ho d、 根據壩下區域的沖刷深度hP對中低水頭壩的理論埋深a進行修正，確定中低水頭壩的 埋深為沖刷深度心與理論埋深a之和。
【文檔編號】G06F17/50GK106096203SQ201610495602
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】倪志輝, 吳立春, 張緒進, 郭毅
【申請人】重慶交通大學