貴州大興水利樞紐工程整體水工模型試驗研究

蘇通，李桂青，禹勝穎，呂會嬌

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，天津300222）

貴州大興水利樞紐工程整體水工模型試驗研究

蘇通，李桂青，禹勝穎，呂會嬌

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，天津300222）

通過大興水工模型試驗，對原設(shè)計方案的水流流態(tài)、流速分布、摻氣情況及下游河道的流速、流態(tài)分布進(jìn)行了試驗研究與分析。通過設(shè)置寬尾墩對下游水流起到很好的消能防沖效果，優(yōu)化了消能設(shè)施，驗證了泄水建筑物的過流能力，為設(shè)計部門進(jìn)一步優(yōu)化樞紐布置提供了科學(xué)依據(jù)。

流態(tài)分布；寬尾墩；消能防沖；過流能力

1　工程概況

大興水利樞紐工程位于貴州省銅仁市碧江區(qū)和松桃縣境內(nèi)，由擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物（供水管道）、3座泵站及發(fā)電廠房等組成。工程為銅仁新區(qū)和松桃縣正大鄉(xiāng)、大興鎮(zhèn)33.1萬人提供生活用水，為正大鄉(xiāng)和大興鎮(zhèn)680 hm2耕地提供農(nóng)業(yè)灌溉用水，同時為正大農(nóng)產(chǎn)品加工園區(qū)和大興科技工業(yè)園區(qū)提供工業(yè)用水，并補(bǔ)充銅仁新區(qū)缺水量。

水庫總庫容4 675萬m3，正常蓄水位514.00m，相應(yīng)庫容4 283萬m3，校核洪水位515.30m，相應(yīng)庫容4 675萬m3。工程等別為III等工程，規(guī)模為中型。擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高52.00m，壩頂高程517.00m，壩頂全長96.00m，分為左、右岸非溢流壩段和河床溢流壩段。

泄水建筑物采用壩身表孔泄洪。壩身共設(shè)3個表孔，布置在河床中部，堰頂高程507.00m，每孔凈寬10m，邊墩及中墩均寬2.5m。主要建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。消能防沖建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，流量為931m3/s，采用底流消能方式。消力池長67.5m、寬35m、深5.5m，消能坎高1.6m，其后接長15m的海漫和長15m的拋石防護(hù)段，海漫段末端采用的拋石粒徑為80 cm。水利樞紐平面布置，如圖1所示。

圖1　水利樞紐平面布置

原拱壩前河床淤泥質(zhì)土為灰黃色、灰色，軟塑，飽和，不均勻，略有臭味，粉砂含量30%～40%，含少量礫石，底部30 cm為卵礫石，粒徑5 cm左右，呈次磨圓狀。

泄洪工況方面，設(shè)計計算的水庫下泄流量30年一遇為931m3/s、50年一遇為1 062m3/s、100年一遇為1 257m3/s、500年一遇為1 454m3/s。

2　模型設(shè)計與制作

為滿足試驗內(nèi)容要求，結(jié)合試驗供水條件，選定正態(tài)模型，確定幾何比尺為50。模型試驗范圍包括壩軸線上游200m內(nèi)地形，泄水建筑物，壩軸線下游375m內(nèi)地形。溢流堰上閘墩、閘門及消力池邊墻等建筑物均采用有機(jī)玻璃制作，溢流堰采用水泥沙漿刮制，上、下游地形采用高程控制法定點，用水泥沙漿抹面。根據(jù)大興水庫庫區(qū)淤積泥沙顆粒曲線資料分析結(jié)果，試驗中選取平均球體粒徑為1mm的石英砂作為動床基巖沖料。

3　試驗研究成果分析

3.1泄流能力

通過3孔運行的多組試驗，得出水庫敞泄和控泄下的上游水位與流量關(guān)系曲線。

泄流能力根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319—2005）附錄A.3公式計算。其計算公式為：

式中：Q為泄流量（m3/s）；C為上游面坡度影響修正系數(shù)，當(dāng)上游面為鉛直面時C取1.0；m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)，視泄流的淹沒程度而定；B為溢洪道過水?dāng)嗝鎯魧挘╩）；Hw為計入行進(jìn)流速的堰上總水頭（m）；M為包含側(cè)收縮系數(shù)的綜合流量系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

3.1.1敞泄運行

3孔敞泄試驗上游水位與流量關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2　3孔敞泄上游水位與流量關(guān)系曲線

從圖2可以看出，庫水位為設(shè)計水位（h=514.00m）時，流量Q=1 151.1 m3/s，比計算值1 112 m3/s大3.52%，按式（1）計算的綜合流量系數(shù)為0.468；庫水位為校核水位（h=515.30m）時，流量Q=1 513.7m3/s，比計算值1454m3/s大4.11%，按式（1）計算的綜合流量系數(shù)為0.477。這說明溢流壩設(shè)計規(guī)模滿足要求，并有余量。

3.1.2控泄運行

試驗分別觀測了3孔開度同時為e=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m的上游水位與流量關(guān)系，其曲線如圖3所示。閘門控泄時的泄流能力關(guān)系曲線可供管理部門在閘門運用時參考。

圖3　3孔控泄上游水位與流量關(guān)系曲線

3.2原設(shè)計方案的下游流態(tài)

原設(shè)計方案下游交通橋設(shè)置在消力坎正上方，經(jīng)試驗表明，橋墩減小過流面積不利于泄流消能，水流對橋墩有較強(qiáng)的沖擊力，橋面有濺水等也不利于橋結(jié)構(gòu)及行人的安全?；谏鲜鲈?，建議將交通橋設(shè)置在防沖槽后一定距離處。經(jīng)驗證，交通橋設(shè)置在壩軸線下151m處是合理的。

消力池至下游原拱壩河段河床的淤泥主要為砂礫石，試驗采用細(xì)石英砂模擬該處地形。通過試驗發(fā)現(xiàn)，該處下游地形沖淤嚴(yán)重，臨近左岸部分區(qū)域回流明顯，右岸附近河床被淘沖干凈，淤積在左岸，這是由于下游地形左岸有坡右岸直立的緣故?；谏鲜鲈颍紤]右岸進(jìn)場道路路基安全及河床沖刷等問題，建議將消力池出口與下游地形銜接處改進(jìn)，使右岸及左岸邊墻均向左岸有一個傾斜，以便更平順地與下游地形相接。

3.3設(shè)置寬尾墩消能防沖試驗

本次模型試驗設(shè)置寬尾墩，在下游原拱壩拆除后堰頂寬4m、高程471.50m情況下對4種工況分別觀測了流速、流態(tài)及水面線。其中，工況1：上游來流為931m3/s（30年一遇），3孔全開敞泄；工況2：上游來流為1 062m3/s（50年一遇），3孔全開敞泄；工況3：上游來流為1257m3/s（100年一遇），3孔全開敞泄；工況4：上游來流為1454m3/s（500年一遇），3孔全開敞泄。

寬尾墩消力池聯(lián)合消能機(jī)理，實質(zhì)上是由堰頂收縮射流形成的一系列水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化所引起的。寬尾墩三元水躍較之常規(guī)的二元強(qiáng)迫（或自由）水躍和三元水躍在水流內(nèi)部產(chǎn)生了更為劇烈的紊動剪切和混摻作用，形成常規(guī)平尾墩消力池所不可能有的附加消能。

3.3.1設(shè)置寬尾墩+池長67.5m方案的下游流態(tài)

當(dāng)下泄流量為30年一遇洪水時，與未設(shè)置寬尾墩情況相比，設(shè)置寬尾墩后水流在墩尾處變窄增高，在空中對撞后入消力池劇烈翻滾，水躍明顯提前，由于下游水位抬高，出池水流幾乎沒有紊動，在海漫處與下游水流很好地銜接，消能效果較好。當(dāng)來流為50年一遇洪水時，隨著流量的加大，消力池內(nèi)水流翻滾更加劇烈，出池水流略有紊動，在海漫后與下游水流較好銜接。當(dāng)來流為100年一遇洪水時，水流過溢流堰空中對沖后急速跌入消力池內(nèi)，池內(nèi)水面摻氣明顯，出池水流有紊動，下游地形出現(xiàn)沖淤。當(dāng)來流為500年一遇洪水時，水流過溢流堰空中對沖后急速砸向堰末端，池內(nèi)水流紊動劇烈，水面摻氣明顯，出池水流紊動摻氣，下游沖刷嚴(yán)重。加寬尾墩后兩邊孔水流有明顯的外濺，為了更好地提高下游的消能效果，對建筑物作了如下優(yōu)化修改：

（1）將兩邊孔寬尾墩角度調(diào)小5°，可較好地防止水流外濺。

（2）由于水躍提前，消力池前段邊墻處水流有溢出現(xiàn)象，建議加高消力池邊墻。經(jīng)試驗測量，建議消力池邊墻高度不得低于481.20m。

（3）針對下游河床沖刷問題，對出池左岸邊墻與下游地形銜接處改進(jìn)，即將防沖槽對應(yīng)左岸邊墻向左傾斜5°左右，也就是該處邊墻傾斜至與下游交通橋最左側(cè)橋墩相接的位置。經(jīng)試驗驗證，在該下游銜接情況下，水流對下游河床的沖淤明顯減少，回流相應(yīng)減少，建議在施工及現(xiàn)場條件允許的情況下，可適當(dāng)加長傾斜長度，盡可能與下游左岸地形有較好的銜接。

（4）針對下游原拱壩拆除后堰頂寬為4m和高程分別為470、471、471.50m 3種方案進(jìn)行了對比試驗，結(jié)果表明將下游拱壩抬高至471.50m有更好的消能效果。基于上述原因，建議下游原拱壩拆除后堰頂寬為4m、高程為471.50m。

3.3.2設(shè)置寬尾墩+池長60m方案的下游流態(tài)

與池長未折減情況相比，當(dāng)下泄流量為30年一遇洪水時，池長折減后消力池內(nèi)水流翻滾更劇烈，消力坎上水面增高，出池水流在海漫處與下游水流較好地銜接，消能效果較好，下游右岸河床淘刷不嚴(yán)重，左岸少有淤積。當(dāng)來流為50年一遇洪水時，隨著流量加大，消力池內(nèi)水流翻滾更加劇烈，出池水流略有紊動，在海漫后與下游水流較好銜接，下游右岸河床淘刷加重，左岸河床淤積。當(dāng)來流為100年一遇洪水時，水流過溢流堰空中對沖后急速跌入消力池內(nèi)，池內(nèi)水面摻氣明顯，出池水流有紊動，下游地形出現(xiàn)明顯沖於。當(dāng)來流為500年一遇洪水時，水流過溢流堰空中對沖后急速砸向堰末端，池內(nèi)水流紊動劇烈，水面摻氣明顯，出池水流紊動摻氣，下游沖刷嚴(yán)重，右岸淤泥質(zhì)河床幾乎被淘刷干凈，左岸河床淤積嚴(yán)重。

3.4泄水建筑物合理運用方式

泄水建筑物閘門運用應(yīng)遵循“對稱、間隔、均勻、同步”的原則，盡量使下泄水流消能充分，減少對消力池及下游河道的沖刷破壞。為此，建議在小流量情況下單孔開啟中孔，兩孔同時運行時開啟兩邊孔。

4　結(jié)語

通過對大興水利樞紐進(jìn)行水工泥沙模型試驗，得出以下結(jié)論：

（1）溢流堰的泄流能力滿足要求，水庫在正常蓄水位514.00m情況下，3孔總泄量為1151.1m3/s，比計算值1112m3/s大3.52%；水庫在校核水位515.30m情況下，3孔總泄量為1513.7m3/s，比計算值1454m3/s大4.11%。

（2）增加寬尾墩后兩邊孔水流有明顯的外濺，試驗證明將兩邊孔內(nèi)側(cè)寬尾墩角度調(diào)小5°可有效防止水流外濺。

（3）試驗表明將交通橋設(shè)置在壩軸線下151m處比較合理。

（4）加寬尾墩、消力池池長折減后水面壅高導(dǎo)致時有水流濺出邊墻現(xiàn)象，建議將消力池邊墻加高，消力池邊墻高度最好不低于481.20m。

（5）消力池下游原拱壩拆除后堰頂寬為4m、高程為471.50m時能使出池水流與下游水流比較平順地銜接，消能效果較好。

（6）加寬尾墩后，消力池池長為60m時可以滿足消能要求。從工程投資和消能效果多方面因素考慮，建議采用加寬尾墩+池長為60m方案。

TV32+2

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1004-7328（2016）05-0060-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.020

2016—05—20

蘇通（1991—），男，助理工程師，主要從事水工、泥沙模型試驗與研究工作。