南津渡水庫消能防沖設(shè)施改進(jìn)加固措施試驗(yàn)研究

侯 斌，申培華，范洪浩

(1.中國國際工程咨詢公司，北京 100048; 2.衢州市港航管理處，浙江衢州 324000)

1 工程概況

南津渡水庫大壩樞紐位于湖南省永州市零陵區(qū)境內(nèi)羊公灘處，距永州市15 km，是一座集防洪、供水、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、放木等綜合利用的水電樞紐工程，也是湘江支流瀟水流域水電梯級開發(fā)的最后一個(gè)梯級電站，距湘江河口7 km，壩址控制流域面積11 791 km2，總庫容為6 100萬m3。水庫總裝機(jī)容量為60 MW。本樞紐于1989年8月全面動工，1991年11月投產(chǎn)，主要有攔河大壩、電站樞紐的引水式廠房及1、2、3號副壩和升船機(jī)等建筑物所組成。大壩樞紐包括混凝土溢流壩，兩岸漿砌石重力壩接頭和右岸土壩部分。

溢流壩段長218 m，設(shè)18孔溢流閘孔，堰頂高程105 m，閘墩厚2 m，每孔寬10 m，閘中分縫。溢流壩剖面采用WES型堰面曲線，壩體底寬23 m，溢流壩下游采用底流式消能方式，加固以前，11號至15號壩段設(shè)有消力池，池長20 m，池深3.5 m，池內(nèi)共設(shè)有12個(gè)T型消力墩。6號至10號五孔壩段設(shè)有消能護(hù)坦，護(hù)坦長15 m，其他8孔原設(shè)計(jì)均有護(hù)坦，但未施工。

南津渡水庫運(yùn)行多年，消能設(shè)施出現(xiàn)不同程度的破壞，泄水閘下游消能設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)偏低，無法滿足消能的需要。且原設(shè)計(jì)方案中1～5號閘孔、16～18號閘孔下游均設(shè)有護(hù)坦，目前消力墩破損嚴(yán)重，護(hù)坦出現(xiàn)裂縫，消力池底板被掏空，護(hù)坦下游河床出現(xiàn)10 m左右的沖刷坑等現(xiàn)象。見圖1。

圖1 南津渡水庫沖刷坑地形高程示意圖(單位:m)

本論文對南津渡水庫閘壩消能設(shè)施的消能效果進(jìn)行研究，對目前的消能狀況進(jìn)行評價(jià)，在此基礎(chǔ)上提出合理的改善措施，以滿足消能防沖的需要［1］。

2 底流式消能特點(diǎn)

南津渡水庫下游采用底流消能，即水躍消能［2，3］，水躍是明槽水流從急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時(shí)水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。當(dāng)水躍發(fā)生時(shí)，水躍區(qū)的水流可分為兩部分，一部分是急流沖入緩流所激起的表面旋流，翻騰滾動，摻入空氣，稱為“表面旋滾”;另一部分是水滾下面的主流，流速由快變慢，水深由小變大。底流消能的主要特征是射流臨底，底流速很高，水流表面有乳白色水躍漩滾，大量摻流在水躍區(qū)通過紊動、擴(kuò)散和混摻等方式，與周圍水體進(jìn)行質(zhì)量、動量和能量交換，并憑借內(nèi)摩擦作用，把水流的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽诖诉^程中，水流的平均動能變?yōu)槲蓜幽?，然后通過粘性作用，消耗大部分能量。同時(shí)，射流在水躍區(qū)中形成產(chǎn)生邊界分離層，并逐漸向水面擴(kuò)散，最終失去了急流的特點(diǎn)，與下游緩順銜接。我國的葛洲壩水電站、三江口水電站、鹽鍋峽水電站等等都是底流消能的應(yīng)用實(shí)例。

但是對于低佛氏數(shù)(Fr＜4.5)的底流消能情況，水流難于形成水躍，或水躍漩滾不充分，常存在躍后流速分布不均勻、有明顯的大尺度紊動、水面波動較大等問題。因此傳統(tǒng)的底流消能方式往往難于滿足低佛氏數(shù)水躍消能的要求，所以加強(qiáng)對水力消能方面的研究，努力尋找出較優(yōu)的消能工形式，是一項(xiàng)目前亟待解決的任務(wù)。

低水頭泄水建筑物的消能問題是中小型水利水電工程的常見問題。工程的顯著特點(diǎn)是水頭低，下游水位變幅大，來水隨季節(jié)變化明顯，另外由于流速小，佛羅德數(shù)較低，采用常規(guī)消能工消能率較低，消能問題突出［4－6］。近年來我國在水電及航運(yùn)建設(shè)中結(jié)合特有的復(fù)雜的自然條件，對低水頭泄水建筑物的消能問題進(jìn)行了專門的研究，取得了一定的研究成果。

對于低水頭、大流量、低佛羅德數(shù)的樞紐，采用的消能方式有:采用輔助消能工增加消能效果，如在消力池內(nèi)設(shè)置消力墩或消力坎消能;改變常規(guī)消能工的出口條件，通過水流擴(kuò)散、收縮或碰撞增加消能效果;在采用常規(guī)消能方式消能前通過水流收縮和擴(kuò)散提前消除一部分能量，如采用寬尾墩等，也有不少工程采用綜合輔助消能工的消能方式［7］。

3 模型的設(shè)計(jì)與制作

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓妥枇ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，模型比尺采用1∶50。根據(jù)泄水閘尺寸、泄水要求和測量精度等要求，模擬7孔泄水閘泄水進(jìn)行局部模型試驗(yàn)，見圖2、圖3。模型水槽兩側(cè)采用可視玻璃制作，以便觀測水流沿程流態(tài)及泄流過程。在玻璃水槽中，水槽總寬為160 cm，河床質(zhì)按照原河床抗沖流速，通過相似準(zhǔn)則換算而成，墩頭和墩尾均為半圓形，堰面型式為WES型，材料采用pvc材質(zhì)，滿足試驗(yàn)糙率要求。采用實(shí)際運(yùn)行調(diào)度方式中較為不利的試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)，見表1。

表1 消能試驗(yàn)場次安排表

4 原設(shè)計(jì)方案消能防沖試驗(yàn)研究

南津渡水庫原設(shè)計(jì)方案中，消能設(shè)施主要有消力池、尾坎、T型消力墩以及護(hù)坦。溢流壩下游采用底流式消能方式，根據(jù)試驗(yàn)研究內(nèi)容要求，本試驗(yàn)?zāi)M6號至10號壩段的消能設(shè)施，其池長20 m，池深3.5 m，T型墩共16個(gè)。

4.1 消能率計(jì)算分析

根據(jù)模型試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)及消能率計(jì)算公式，原設(shè)計(jì)方案泄水閘的消能率計(jì)算如表2所示。

表2 原設(shè)計(jì)方案消能率計(jì)算表

各工況下閘前～尾坎斷面消能率的試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果見表2，從表中可以發(fā)現(xiàn)，3種工況下的消能率普遍偏低，隨著流量的增加，閘門開度逐漸增大，下游水深逐漸變深，上下游水位差逐漸變小，水躍淹沒度增大，水躍消能率逐漸降低。另外，隨著下游水深的逐漸增加，過閘下泄水流的主流逐漸上升，消力池底部的流速減緩，與堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相應(yīng)減弱，也造成消能率降低。

4.2 沖刷情況分析

沖刷深度結(jié)果如表3所示，河床的沖刷規(guī)律是隨著泄水閘單寬流量的增大，下游沖刷范圍及深度均有所增大，消力池尾坎以后150 m以內(nèi)是沖刷坑的主要范圍，在150 m以后的位置，沖刷現(xiàn)象逐漸減弱，沖刷深度和沖刷范圍亦相應(yīng)減小。

表3 原設(shè)計(jì)方案不同工況下游河床沖刷結(jié)果表

4.3 消能效果評價(jià)

根據(jù)上述對原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論:

1)消能工的消能效果比較差，消能率偏低;

2)隨著流量的增加，閘門的開孔數(shù)增加，閘門開度逐漸增大，下游水深逐漸變深，上下游水位差逐漸變小，水躍淹沒度增大，水躍消能率逐漸降低;

3)隨著下游水深的逐漸增加，過閘下泄水流的主流逐漸上升，與堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相應(yīng)減弱，這使得水流紊動也逐漸減弱，消能率降低。

5 改進(jìn)方案模型試驗(yàn)研究

根據(jù)南津渡水庫原設(shè)計(jì)方案中消能設(shè)施出現(xiàn)的破損情況，對消能設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的措施主要是加長消力池，增設(shè)消力墩，加設(shè)海漫等;改進(jìn)方案Ⅰ在8號至15號壩段均設(shè)置消力池，池長34.6 m，池深3.5 m。改進(jìn)方案Ⅱ在改進(jìn)方案Ⅰ基礎(chǔ)上再增加了一排梯形消力墩，兩排消力墩錯(cuò)位排列。

5.1 消能率計(jì)算分析

根據(jù)消能率計(jì)算公式，按照模型中實(shí)測數(shù)據(jù)對消能率進(jìn)行計(jì)算:各工況下閘前～尾坎斷面消能率的試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果見表4，從表中可以看出，消能率變化趨勢和原設(shè)計(jì)方案比較相似，但是改進(jìn)方案Ⅰ的3種工況下消能率有明顯提高，這說明加長消力池對消能效果的改善作用明顯。隨著流量的增加，閘門開度逐漸增大，下游水深逐漸變深，上下游水位差逐漸變小，水躍淹沒度增大，水躍消能率逐漸降低。另外，隨著下游水深的逐漸增加，過閘下泄水流的主流逐漸上升，與堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相應(yīng)減弱，也造成消能率降低。

改進(jìn)方案Ⅱ在3孔泄流試驗(yàn)中比原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案Ⅰ消能率有較大幅度的提高，這說明加長消力池和增設(shè)一排梯形墩對消能效果的改善作用明顯，但增設(shè)消力墩也容易遭到水流的空蝕破壞，這也是在消能設(shè)施布置時(shí)需要考慮的問題。

5.2 沖刷情況分析

試驗(yàn)表明:在動床模型試驗(yàn)中，隨著水流對下游河床長時(shí)間的沖刷，下游河床沖刷深度隨著泄水閘單寬流量增大，下游沖刷范圍及深度均有所增大，沖刷坡度基本上沒有很大的變化，并且尾坎后端100 m以內(nèi)是沖刷坑的主要范圍，在100 m以后的位置，沖刷現(xiàn)象逐漸減弱，沖刷深度和沖刷范圍亦相應(yīng)減小。與原設(shè)計(jì)方案相比，沖刷深度和沖刷范圍明顯減小，下泄水流相對比較平順，下游河床最大沖刷深點(diǎn)距尾坎的距離有所增大。

表4 改進(jìn)方案消能率計(jì)算表

如表5，改進(jìn)方案Ⅱ與原設(shè)計(jì)方案以及改進(jìn)方案Ⅰ相比，沖刷深度和沖刷范圍明顯減小，下泄水流相對比較平順，下游河床最大沖刷深點(diǎn)距尾坎的距離有所減小，最大沖刷深度由原設(shè)計(jì)方案7.33 m和改進(jìn)方案Ⅰ的6.71 m減少到改進(jìn)方案Ⅱ的4.87 m，消能防沖效果較好。

表5 改進(jìn)方案下游河床沖刷結(jié)果表

6 結(jié)論與建議

結(jié)合南津渡水庫閘壩原設(shè)計(jì)方案的消能設(shè)施出現(xiàn)明顯沖刷破壞，以及下游河床出現(xiàn)深潭現(xiàn)象，建立物理模型，對其原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案后的消能設(shè)施的消能效果進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論:

1)通過對消能設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)，消能工的消能效果有比較大的改善，消能率有所提高，改進(jìn)方案Ⅰ的3種工況下消能率有明顯提高，改進(jìn)方案Ⅱ在三孔泄流試驗(yàn)中消能率也有較大幅度的提高，且改進(jìn)方案Ⅱ穩(wěn)定下游水流效果較好，這說明加長消力池和增設(shè)一排梯形墩對消能效果的改善作用明顯，建議采用改進(jìn)方案Ⅱ的消能設(shè)施布置方式。

2)改進(jìn)方案Ⅰ與原設(shè)計(jì)方案相比，沖刷深度和范圍相對縮小，而改進(jìn)方案Ⅱ試驗(yàn)中的沖刷深度和范圍得到進(jìn)一步減小，這說明改進(jìn)方案Ⅱ?qū)Ψ乐购哟矝_刷方面效果更加明顯。但水流對消力池底部掏刷仍然存在，為防止對建筑物穩(wěn)定造成危害，建議在尾坎后部加設(shè)海漫，以更進(jìn)一步地保護(hù)消力池和閘壩的穩(wěn)定。

［1］劉曉平，侯 斌，潘宣何，等.南津渡水庫閘壩下游河床沖刷問題的試驗(yàn)研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2010，27(4).

［2］呂欣欣.低水頭大流量廠壩聯(lián)合泄洪消能流場的研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.

［3］陳俊英.低水頭引水工程消能措施試驗(yàn)研究［D］.陜西:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2005.

［4］易桂興.低水頭徑流式電站水能設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題研討［J］.水能經(jīng)濟(jì)，2004:54－55.

［5］雷雪婷.廣西潯江長洲樞紐壩下河床沖刷研究［D］.南京:河海大學(xué)交通學(xué)院，2004.

［6］王 濤，劉興年，聶銳華.低閘樞紐護(hù)坦式消能工閘后沖刷試驗(yàn)研究［J］.四川水利，2006:29－31.

［7］花立峰.消力墩—T型墩—消能塘聯(lián)合消能的試驗(yàn)研究［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，2004:41－43.