浯溪口水利樞紐動床模型試驗研究

孔祥元，鄔年華

(1.武漢大學水利水電學院，武漢 430072；2. 江西省水利科學研究院，南昌 330209)

1 工程概況

2013年 3月，浯溪口水利樞紐工程大壩主體工程破土動工，這座國家重點水利工程正式進入了全面建設階段。浯溪口水利樞紐工程位于江西景德鎮(zhèn)市蛟潭鎮(zhèn)境內，距景德鎮(zhèn)40 km，是昌江干流中游一座以防洪為主，兼顧供水、發(fā)電等的綜合利用工程。水庫總庫容為4.27 億m3，大壩壩長538.4 m，最大壩高45.6 m，正常蓄水位56 m，電站裝機容量為30.0 MW，多年平均發(fā)電量將達8 081 萬kWh。工程等別為二等，是一座以防洪為主，兼有供水、發(fā)電等綜合效益的大(二)型水利樞紐工程。擬定了上、下兩個壩址進行比較。上壩址位于蛟潭鎮(zhèn)洛溪村上游，下壩址位于浯溪口村上游約0.6 km，距上壩址2.9 km。綜合地形、地質條件、樞紐建筑物布置、施工、樞紐建筑物布置、水庫淹沒處理、動能指標及工程投資等因素，本階段推薦上壩址作為工程壩址。

昌江流域徑流豐富，但徑流在年際間變化較大、年內分配也很不均勻。浯溪口壩址最大年平均流量為200 m3/s(1954年)，最小年平均流量為38.1 m3/s(1963年)，最大年平均流量是最小年平均流量的5.25倍。汛期4-6月的徑流量占全年徑流量的53.8%，其中又以6月份為最大，約占全年徑流量的22.9%，枯水期10月-翌年2月徑流量僅占全年徑流量的12.9%，以12月份徑流為最枯，只占全年徑流量的1.7%；最大月平均流量687 m3/s(1996年7月)是最小月平均流量2.78 m3/s(1959年10月)的248倍。

昌江流域屬少沙河流，其泥沙來源主要是雨洪對表土的侵蝕，浯溪口水庫多年平均懸移質輸沙量為23.86 萬t，泥沙主要集中在4-7月份，約占全年泥沙總量的78 %，推移質輸沙量按偏于安全考慮，以懸移質輸沙量的30 %計，為7.16 萬t，則浯溪口水庫多年平均總輸沙量為31.0 萬t。

工程開工前，對水利樞紐進行了水力學模型試驗，動床模型試驗是其內容之一，本文將開展分析介紹。

2 泥沙部分模型

浯溪口水利樞紐位于昌江中、上游交界處，樞紐河段具有明顯的山區(qū)河流特征。河床主要由卵石組成，卵石粒徑20～40 cm，卵石邊灘上夾有少量砂礫石，粒徑1.0～20 cm。壩址上、下河床有結構完整的基巖出露，抗沖能力強。樞紐上游流域內植被良好，懸移質含沙量極小，在自然情況下，懸移質不參與造床。因此，本模型設計為以卵石推移質為主的動床模型。推移質模型沙一方面要滿足水流運動相似要求的床面糙率相似；另一方面又要滿足泥沙運動相似中的起動相似。本模型試驗河段床沙較粗，床沙推移質中值粒徑為22 mm，這為采用天然沙作為模型沙提供了可能。

2.1 泥沙模型設計及相似條件

水庫及河道的形態(tài)(包括水深、河寬和比降)是水流、泥沙和河床相互作用的結果，因此浯溪口水利樞紐的泥沙模型不僅要遵循水流運動相似準則和泥沙運動相似準則，還要遵循河床形態(tài)相似準則。

浯溪口水利樞紐位于昌江中上游交界處，庫區(qū)河床平均比降0.32‰，河道為典型的山區(qū)型河道，床沙為卵礫石夾沙，床沙中值粒徑d50=22 mm。樞紐上游流域內植被良好，懸移質含沙量極小，在自然情況下，懸移質不參與造床，天然河道情況下，對該河段河床變形起主要作用的是推移質，推移質是該河段沖淤變形的決定性因素。然而，考慮到建庫后，懸移質中的較粗顆粒部分可能會參與造床作用，粗顆粒部分約占懸沙總量的10%，由此可得浯溪口建庫后入庫總推移質砂量約為10萬t/a。因此本模型設計為以卵石推移質為主的動床模型，可采用以卵石推移質為主的動床模型相似律進行設計。

根據(jù)目前動床模型相似律方面的最新研究成果，考慮試驗河段的水沙特點和具體情況，可確定浯溪口水利樞紐庫區(qū)動床模型應遵循如下相似準則：

(1)水流重力相似條件：

λV=λ1/2H

(1)

(2)水流阻力相似條件：

λV=λ-1nλ2/3Hλ1/2J

(2)

(3)泥沙起動流速相似條件：

λuc=ληλ1/2(ρs-ρ)/ρλ1/7hλ5/14d

(3)

(4)推移質輸移相似條件(單寬推移質輸沙率比尺)：

λgb=λρsλdλu

(4)

(5)推移質沖淤變形相似條件：

(5)

(6)河型相似條件：

(6)

式中:λL為水平比尺；λH為垂直比尺；λv為流速比尺；λn為糙率比尺；λJ為水力坡降比尺；λd為推移質泥沙粒徑比尺；λR為水力半徑比尺；λγs-γ為泥沙與水的容重差比尺；λuc為起動流速比尺；λgb為單寬推移質輸沙率比尺；λt1為推移質河床變形時間比尺；λρ′為淤積物干容重比尺；B為造床流量下的河寬；H為造床流量下的平均水深；i為河床比降；γs、γ分別為泥沙和清水的容重；D50為床沙中值粒徑。

此外，為保證模型與原型水流流態(tài)相似，還需滿足如下兩個限制條件。

(1)模型水流必須是紊流，故要求模型水流雷諾數(shù)：

Rem>1 000～2 000

(7)

(2)模型水流不受表面張力的干擾，故要求模型水深：

Hm>1.5 cm

(8)

2.2 幾何比尺的確定

根據(jù)模型試驗的目的和要求，本模型以定床+動床正態(tài)模型設計，在原定床模型基礎上進行，模型幾何比尺為λL=λH=100，相似設計主要考慮了推移質泥沙運動相似、推移質泥沙輸沙率相似和推移質泥沙河床變形相似等相似條件。模型沙選用天然沙。

(1)推移質泥沙運動相似。 根據(jù)起動流速相似λuc=λv，由起動流速公式可得推移質粒徑比尺λD為：

λD=λh=100

(2)推移質泥沙輸沙率相似。據(jù)河流模擬試驗理論，單寬卵石推移質輸沙率比尺λgb為：

λgb=λ1.5h=1 000

(3)推移質泥沙河床變形相似：

則卵石輸沙總量比尺λGb為：

λGb=λgbλBλtb=106

據(jù)此可得模型沙用量為100 kg/a。

顯然，由上述公式求得的推移質泥沙河床變形相似時間比尺與水工模型設計中水流時間比尺一樣。

綜上所述，本模型試驗相似率及各物理量相似比尺列于表1。

表1 正態(tài)模型泥沙試驗各項相似比尺

3 動床模擬范圍

本模型動床模型試驗分壩區(qū)卵石推移質示蹤試驗和壩下游局部沖刷試驗兩部分。推移質示蹤試驗主要研究入庫卵石推移質運行到壩前附近時的運動軌跡，檢驗導沙坎的導沙排沙效果。壩下游局部沖刷試驗則主要研究壩下游河床局部沖刷對建筑物安全的影響。動床模型范圍如圖1所示。

圖1 浯溪口水利樞紐樞紐動床模型試驗平面圖

4 沖刷模型試驗沙的選用

浯溪口壩址缺乏懸移質和卵石推移質實測資料，故只能借助壩址下游渡峰坑水文站的實測資料進行類比分析，得出浯溪口壩址多年平均懸移質輸沙量為23.86 萬t，按推懸比30%計，得卵石推移質數(shù)量為7.16 萬t/a，考慮到建庫后，懸移質中的較粗顆粒部分可能會參與造床作用，粗顆粒部分約占懸沙總量的10%，由此可得浯溪口建庫后入庫總推移質砂量約為10 萬t/a。

浯溪口模型卵石推移質粒配曲線，系根據(jù)現(xiàn)場取樣及浯溪口料場砂樣經(jīng)綜合分析后得出(圖2)，原型砂特征粒徑為：Dmax=100 mm，D50=22 mm，Dmin=1 mm。按模型比尺和推求出模型砂顆粒級配曲線。壩下游局部沖刷試驗模擬粒徑系按基巖抗沖流速根據(jù)伊茲巴什公式反求得出。

弱化基巖抗沖流速為4～5 m/s，據(jù)上式和粒徑比尺 可求出滿足抗沖流速要求的模型砂最大、平均和最小粒徑分別為10、5.63和3.26 mm。由此可大致求出下游基巖河床模型砂粒配曲線如圖2所示。

圖2 浯溪口樞紐砂卵石推移質級配曲線

根據(jù)浯溪口水利樞紐工程實際情況，卵石推移質及壩下游 河床模型砂均可采用天然砂進行模擬，模型砂粒徑比尺λD=λh=100。

5 動床模型試驗條件

水流作用于河床，使河床發(fā)生變形，變形后的河床又反作用于水流結構，使水流結構適應變化了的河床形態(tài)。浯溪口水利樞紐動床模型試驗在水力學試驗的基礎上進行，電廠、閘壩的運行，閘門開度及上下游水位嚴格按水力學試驗成果控制。本項試驗共進行了5個流量級共7種調度方案的試驗研究，各組試驗條件如表2所示。

表2 試驗組合工況表

6 壩區(qū)卵石推移質示蹤試驗

浯溪口水利樞紐壩區(qū)卵石推移質示蹤試驗初始條件為空庫運行。即建庫后第一年水庫處于零淤積的狀況。卵石推移質上游加砂位置在壩上-9(壩0-540 m)斷面附近。試驗觀測表明，壩區(qū)推移質運動速度極為緩慢，特別是在流量小、上下游水頭差較大時更是如此。第一個流量級的時段末(以下游局部沖刷達到平衡時為準，下同)，入庫推移質泥沙僅運行到上-7(壩0-420)斷面附近。第二級流量加大到10 060 m3/s，相當于百年一遇洪水，推移質運動速度明顯加快，該級時段末推移質泥沙已運行到上-5(壩0-300)斷面處。值得注意的是，從上-5(壩0-300)斷面開始，推移質泥沙運動軌跡開始明顯向河道左側偏移，直指低孔壩段。這一物理現(xiàn)象在第三個流量級時演示得更加清晰，時段末部分細顆粒推移質已運行到壩前附近，并經(jīng)低孔泄水閘排向下游。壩區(qū)推移質輸沙帶寬度約150 m，導砂壩前未發(fā)現(xiàn)推移質泥沙滯留。接下來的幾組示蹤試驗，推移質泥沙遵循同樣的輸沙規(guī)律，不僅導砂壩前無泥沙堆積，而且靠近電廠的一孔(6號)泄水閘前也是干凈的。初步分析認為，上述試驗現(xiàn)象是由天然河道的河勢特點及樞紐布置方案決定的。在自然情況下，壩區(qū)河道的深泓線是經(jīng)過低孔泄流壩段中部爾后向下游河道左側過渡，加之低孔底檻高程較低，與河床高程接近，為排泄推移質泥沙提供了極好的條件。進一步的試驗觀測還發(fā)現(xiàn)，上-5(壩0-300)斷面至壩前段，水流呈現(xiàn)出彎道水流特性，在環(huán)流作用下，表層水流指向電廠一側，底層水流則指向低孔泄水閘一側，形成正面取水側向排砂之勢。從而有利推移質泥沙從低孔泄水閘排向下游。當流量超過10 600 m3/s后，電廠停止運行，推移質運動形勢比小流量時還要好。如果將導沙坎的平面形勢改為圓弧形，與推移質輸移帶右邊界相一致，效果可能會更好。

7 樞紐下游河床沖刷試驗

浯溪口水利樞紐下游河床局部沖刷強度與水流動量有直接關系。水流動量則取決于流量的大小和上下游水頭差。水庫的調度運用方式在某種程度上決定下游河床局部沖刷坑的平面形態(tài)。

下游河床局部沖刷試驗與推移質示蹤試驗同步進行。每級流量沖刷試驗的初始條件均為下游河床初始地形。當沖刷達到基本平衡時(沖坑底部縱向流速小于基巖抗沖流速)，即觀測沖刷區(qū)流速分布及沖坑形態(tài)，然后恢復原始地形進入下級流量沖刷試驗。

試驗研究表明，當流量小于5 400 m3/s時，壩下游河床沖刷很弱，除中間兩隔墻墻頭部很小范圍內略見擾動外，其余動床區(qū)基本保持原狀。這與定床試驗成果是相對應的。小流量時護坦以下底部流速一般小于3 m/s，遠小于基巖抗沖流速4～5 m/s。中部兩隔墻墻頭部沖刷長度約40～50 m，沖寬20 m，最大沖深1.5～2.0 m，對建筑物安全不會構成太大威脅。隔墻頭部局部沖刷的根本原因主要的不是縱向流速的大小，而是隔墻頭部方型導致水流紊亂所致。除隔墻頭部的其他部位，縱向流速大小差不多，而河床卻沒有任何沖刷。

當流量達到10 060 m3/s以上時，下游河床開始發(fā)生明顯的沖刷變形。該流量級進行了兩組調度方案的試驗，方案1試驗條件是絕大多數(shù)流量自低孔下泄，表孔下泄流量僅2 650 m3/s左右，沖刷主要發(fā)生在低孔下游河床，沖刷坑平面形態(tài)大致呈矩形，沖坑縱向長度為100 m，最大沖刷深度約7 m，電廠和表孔下游河床沖刷很弱。方案2試驗改變了調度運行方式，表孔泄流量加大，沖刷坑形態(tài)明顯不同，此時水流最大能量居中偏左，表孔下游左側邊墻處沖刷發(fā)展迅速，最大沖刷長度達100余m。低、表孔泄水閘下游右側河床沖刷則相對較弱，縱向沖刷長度約60 m。形成左、中、右3個沖刷坑的平面格局，沖刷強度自左至右逐漸減弱，至電廠下游沖刷強度近似為零。方案1和方案2下游沖刷等值線圖見圖3。

圖3 浯溪口樞紐下游河床沖刷等值線(Q=10 060 m3/s)

當流量達12 600 m3/s時，電廠關閉，水流完全從表孔和低孔下泄，在相應的調度運行條件下，水流能量主要集中在以中部隔墻為中心的范圍之內，下游河床最大沖深距離可達126 m，最大沖深8 m，而低孔與電廠之間的隔墻下游沖刷相對較弱，最大沖刷長度58 m，該級流量雖較上一級流量增大2 000多m3/s，但上下游水頭差僅8.0 m，在沖刷強度和平面形態(tài)基本相似，下游沖刷等值線圖略。

2 000 年一遇14 270 m3/s的校核流量下，水流沖刷能力強。最大沖刷部位仍發(fā)生在中部隔墻下游，最大沖刷距離為140 m，沖坑縱向坡度為1/6，低孔下游右半部沖刷次之，最大沖刷距離為86 m，沖刷平面形態(tài)與12 600 m3/s流量級也沒有本質的不同。

縱觀各級流量下下游河床沖刷試驗成果(表3)，可以看出沖坑范圍基本穩(wěn)定在下-3斷面(壩軸線下106 m左右)以上，最大沖刷部位在中部隔墻下游，最大沖刷深度6～8m，沖坑縱向坡度1/7～1/6，電廠下游河床無論電廠運行與否，均未發(fā)生沖刷，泄水閘下游的沖坑下游堆積的卵石也不會影響電廠尾水位。從下游沖刷試驗可見，泄水閘消力池后河床存在一定范圍內的沖刷。由于各工況的沖坑位置均出現(xiàn)在緊接消力池坎后，為了建筑物的安全需要在坎后進行保護，經(jīng)與設計單位溝通，建議采用消力池下游60 m左右河床予以防護的工程措施，并在此基礎上進行動床試驗。

表3 壩下游河床局部沖刷試驗成果表

8 下游消力池坎后防護60 m方案下游沖刷及閘門調度方式

考慮下游消能設計標準為50年一遇，和設計院設計人員溝通后，建議重點試驗Q=5 400 m3/s下游動床區(qū)沖刷情況及其閘門不同開啟方式對下游沖刷影響。試驗組次見表4。沖刷情況見表5。

表4 坎后防護60 m方案及閘門調度試驗組次

表5 下游沖刷主要特征數(shù)據(jù)

從表5可以得出，當Q=5 400m3/s，上游庫水位56m時，低孔開啟4孔泄流，不足的部分由表孔分泄，這時閘門最佳的開啟方式為4孔對稱開啟，即開1號、3號、4號、6號孔(序號2)，下游基本無沖刷。而當水庫庫水位59.75m時，此時只需要開啟3孔低孔，從表5可以看出，由于開啟3孔無法做到對稱開啟，研究了開啟1號、3號、5號和2號、4號、6號兩種開啟方式，結果表明，開啟3孔時，開2號、4號、6號三孔流態(tài)較好，下游沖刷較開啟1號、3號、5號三孔時輕微，建議開3孔優(yōu)先開啟2號、4號、6號三孔。當開啟2孔時，對稱開啟2號、5號兩孔，下游基本無沖刷。從坎后護60m試驗成果來看，均較護前沖刷程度有所減輕，校核流量時，最大沖刷深度由護前的11.13m下降為8.02m，沖刷范圍也較護前的小。

9 結論與建議

通過對浯溪口水利樞紐動床模型試驗，得出一些結論，并提出相應建議。

(1)浯溪口樞紐壩址河床具有山區(qū)性河流的某些特性、河床地質條件和河勢條件都比較好，樞紐建筑物布置與自然情況下的河勢特點相適應，主泄流壩段布置在自然情況下河道的深泓區(qū)內，對泄洪和排沙均較有利。

(2)壩區(qū)推移質示蹤試驗研究表明，壩區(qū)推移質主輸沙帶自上-5斷面(壩0-300)開始向低孔泄流壩偏移。在彎道環(huán)流作用下，電廠進水口前形成正面取水、側面排沙之勢。

(3)樞紐下游河床局部沖刷試驗研究表明，下游河床局部沖刷強度主要取決于水流動量及上下游水頭差，而樞紐調度運行方式則決定下游沖坑平面形態(tài)。當Q>10 060m3/s之后，壩下游河床將發(fā)生明顯沖刷變形，最大沖刷部位發(fā)生在中部隔墻下游，沖刷最遠距離為140m，最大沖深達11m，沖坑縱向坡度為1/7～1/6，故建議消力池出坎后再防護60m。

(4)無論電廠運行與否，在各級流量及運行方式下電廠下游河床都比較穩(wěn)定，基本上不發(fā)生沖淤變形，這是電廠出流條件所決定的，因電廠尾水遠離主要沖刷區(qū)。樞紐下游河床沖刷后的堆積起的砂卵石不會抬高電廠尾水位，影響電站出力。

(5)由于6低孔泄水閘的底檻高程低，且處于河道的深泓區(qū)內，應成為浯溪口樞紐泄洪排沙的主要通道。水庫泄洪應采取優(yōu)先開啟低孔的運用方式。從減小下游河床沖刷考慮，全部泄水閘同步開啟的運行方式最好，對少孔開啟時，對稱開啟方式最佳，這種開啟方式僅是在導墻頭部局部區(qū)域存在微弱的沖刷，從下游河床流速分布情況來看，流速普遍在基巖抗沖流速以下。下游導墻頭部微弱的沖刷原因是導墻頭部繞流所致，流態(tài)不好是導致沖刷的直接原因，建議將下游隔墻頭部形式由方形改為流線型。由于不對稱的隔孔開啟均會對下游造成一定程度的沖刷，通過試驗比較，建議少孔開啟方式為：6低孔開啟4孔時應開啟1號、3號、4號、6號四孔；開啟3孔時，應開啟2號、4號、6號三孔；開啟2孔時，應開啟2號、5號二孔。

(6)建議將導沙坎的平面形式改為弧線型，以期與推移質輸沙帶右邊界線相匹配，有利于導沙、排沙。壩下游所有邊墻、中間隔墻的頭部均應改為流線型或半圓形，以改善局部水流流態(tài)。

(7)消力池坎后防護60m后，試驗結果表明，下游沖刷程度有所減輕，最大校核流量下游最大沖深由原來的11m減少為8m，沖刷的范圍也較防護前小，且沖坑位置向河床下游推移，沖深最深處在遠離消力池坎后80m左右，對下游建筑物安全不會造成威脅。

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