蘇巴什水庫泄水建筑物消能防沖優(yōu)化試驗(yàn)研究

李 鶴，李玉建，俞曉偉，張紅紅，李 捷

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

大型水利樞紐工程的修建可有效解決水資源短缺、時(shí)空分布不均，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有重要的民生意義[1]。近些年，隨著大型水利樞紐工程建設(shè)的逐漸增多，有關(guān)消能防沖的問題也逐漸引起了人們的關(guān)注，成為水利水電工程建設(shè)中必須要解決的重大技術(shù)問題[2]。為了滿足工程安全運(yùn)行的需要，科研工作者開展了大量的水工模型試驗(yàn)研究，為工程的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

蘇巴什水庫位于新疆阿克蘇地區(qū)柯坪縣境內(nèi)的蘇巴什河上，屬于山區(qū)攔河式水庫工程。工程于2017年建成運(yùn)行，2019年9月度汛期間，受洪水沖刷影響，泄水建筑物聯(lián)合消力池出口護(hù)坦段末端下部基礎(chǔ)被掏空，下游河道整治段河床出現(xiàn)明顯下切現(xiàn)象，右岸擋墻發(fā)生傾斜[3]?；谛顾l下游主流集中于右岸，對右岸邊墻及下游河床沖刷嚴(yán)重的現(xiàn)象，進(jìn)行不同的消能防沖方案比選，通過觀測泄水閘下游水流流態(tài)、斷面平均流速及護(hù)坦出口處沖刷特性，提出增設(shè)連續(xù)消力坎消除出閘水流偏流、主流集中、降低護(hù)坦出口流速提高消能率以減少沖刷的目的，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的除險(xiǎn)加固建議。

1 工程概況

蘇巴什水庫位于新疆阿克蘇地區(qū)柯坪縣境內(nèi)的蘇巴什河上，壩址位于柯坪縣城西北約10km的蘇巴什河出山口處，屬于山區(qū)攔河式水庫工程，流域面積4428km2，徑流量0.6883億m3，灌溉面積1.33萬hm2，具有灌溉、防洪綜合利用任務(wù)，為Ⅲ等中型工程[4]。水庫由擋水建筑物和泄水建筑物組成，擋水建筑為混合壩，其中左岸及主河床段為混凝土面板壩，壩段長351m，右岸為混凝土重力壩，壩段長49m，最大壩高均為35.5m；泄水建筑物包括表孔溢洪道和泄洪沖砂底孔，其控制段均集中布置在混凝土壩段上，控制段下游為聯(lián)合消力池段、反坡尾坎段、混凝土護(hù)坦段、下游河道整治段及交通橋下游防沖齒墻段。泄水建筑物平面布置圖如圖1所示。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型試驗(yàn)范圍

模型試驗(yàn)范圍包括縱向范圍和橫向范圍。縱向試驗(yàn)范圍為：表孔溢洪道和泄洪沖砂底孔控制段、聯(lián)合消力池段、反坡尾坎段、砼護(hù)坦段、下游河道整治段及交通橋下游防沖齒墻后10m，總長度347.598m；橫向試驗(yàn)范圍為：表孔溢洪道和泄洪沖砂底孔控制段寬34m，聯(lián)合消力池段寬33m，下游河道整治段寬和交通橋下游防沖齒墻寬104.6m。

模型試驗(yàn)平面布置圖如圖2所示。

圖1 泄水建筑物平面布置圖

圖2 模型試驗(yàn)平面布置圖

2.2 模型比尺

根據(jù)SL 155—2012《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》[5]，結(jié)合重力相似準(zhǔn)則，根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容、供水以及場地等條件，同時(shí)考慮到表孔溢洪道尺寸，模型試驗(yàn)幾何比尺選定為40。模型設(shè)計(jì)中相關(guān)物理量比尺見表1。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)原型結(jié)構(gòu)尺寸，嚴(yán)格按照幾何比尺縮制，其中表孔溢洪道、泄洪沖砂底孔、聯(lián)合消力池、護(hù)坦等泄洪建筑物采用有機(jī)玻璃制作，河道整治段采用聚氯乙烯板制作，下游動(dòng)床采用天然沙制作。

3 消能防沖試驗(yàn)分析

針對消力池內(nèi)主流集中于右岸、右岸邊墻和下游河道整治段沖刷嚴(yán)重問題，觀測泄水建筑物下游水流流態(tài)、斷面平均流速及護(hù)坦出口處沖刷特性，進(jìn)行不同布置型式下的消能防沖方案比選，得出能有效改善水流流態(tài)、增強(qiáng)消力池消能效果、降低護(hù)坦出口流速、減輕河床沖刷的最佳布置方案。

3.1 試驗(yàn)工況

蘇巴什水庫消能防沖建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，其對應(yīng)的入庫洪峰流量550m3/s，下泄流量198m3/s。但由于水庫淤積，庫容減小，調(diào)蓄能力減弱，2019年汛期，蘇巴什水庫入庫洪峰流量488m3/s，在還未達(dá)到20a一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，水庫已經(jīng)出現(xiàn)超泄，其中最大下泄流量為350m3/s，在水庫泄洪過程中，聯(lián)合消力池出口至下游交通橋之間河道整治段河床出現(xiàn)明顯沖刷破壞，綜合考慮水庫的實(shí)際情況，模型試驗(yàn)泄水建筑物和下游河道整治段的消能與防沖能力最終按350m3/s進(jìn)行復(fù)核。

表1 模型的主要比尺關(guān)系

3.2 輔助消能試驗(yàn)方案比選

試驗(yàn)采用挑流扭坎、導(dǎo)向坎、導(dǎo)流坎、消力坎等不同輔助消能方案進(jìn)行組合，通過改變長度、角度、高度、位置等不同布置參數(shù)，觀察每一種參數(shù)組合下的水流流態(tài)和護(hù)坦出口處平均流速，采用有效參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，挑流扭坎結(jié)合消力坎方案可有效將水流導(dǎo)向中部及左岸，但不利于安全穩(wěn)定運(yùn)行；導(dǎo)向坎結(jié)合消力坎方案可有效改善水流流態(tài)，并降低護(hù)坦出口處流速，但該結(jié)果是基于導(dǎo)向坎高度較高條件，當(dāng)導(dǎo)向坎高度較低時(shí)會被消力池完全淹沒，消能效果不顯著。考慮到挑流扭坎對安全運(yùn)行的影響和導(dǎo)向坎高度受工程限制等因素，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)的觀測資料，對以上2個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行只設(shè)置消力坎的多種不同布置型式試驗(yàn)。

3.3 消力坎試驗(yàn)方案分析

通過改變消力坎數(shù)量、位置、體型等影響參數(shù)，進(jìn)行多種參數(shù)組合，觀測每一種參數(shù)組合下的水流流態(tài)和護(hù)坦出口處平均流速，選取4組情況較好的方案進(jìn)行對比分析，見表2。

表2 消力坎試驗(yàn)典型方案

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮，選定方案4為最優(yōu)方案，該方案下水流撞擊消力坎有翻越現(xiàn)象，消能效果明顯，主流流經(jīng)消力池段后，遠(yuǎn)離右岸，向中部及左岸偏移，水流均勻分布，流態(tài)改善情況較好，最后一道消力坎繞坎中心垂線旋轉(zhuǎn)10°時(shí)可使混凝土護(hù)坦段水流分布均勻，有效降低下游護(hù)坦出口處水流流速，減緩下游沖坑沖刷嚴(yán)重的情況。

3.4 方案優(yōu)化

結(jié)合現(xiàn)場施工因素，對最優(yōu)布置方案4進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，將連續(xù)消力坎中最后一道消力坎樁號位置由0+116.0m處移至0+114.5m處，經(jīng)試驗(yàn)，該方案對護(hù)坦出口處平均流速影響不大。優(yōu)化方案參數(shù)設(shè)置見表3，具體平面布置如圖3所示，水流流態(tài)如圖4所示。

表3 最終優(yōu)化方案參數(shù)設(shè)置

圖3 最終優(yōu)化方案平面布置圖

3.5 河道整治段動(dòng)床試驗(yàn)

3.5.1沖料粒徑計(jì)算

為進(jìn)一步摸清楚蘇巴什水庫泄水對下游河道的影響，河道整治段采用了動(dòng)床模擬實(shí)驗(yàn)，沖坑的形成模擬采用散粒體法，依照給定的河床抗沖流速，由伊茲巴斯公式計(jì)算沖料粒徑[6]：

(1)

式中，Vs—抗沖流速，m/s;K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其取值范圍一般為5～7m/s。

圖4 最終優(yōu)化方案各特征部位水流流態(tài)

由蘇巴什水庫地質(zhì)勘察報(bào)告可知：河床表層5m厚砂礫石層Vs=0.4m/s，中層5m厚礫巖Vs=2.5m/s，下層灰?guī)rVs=5m/s[7]。由式(1)取K=6m/s計(jì)算可得模型沖料粒徑分別為0.11、4.34、17.36mm，實(shí)際模型沖料粒徑范圍為表層12.5cm厚0.1～0.2mm、中層12.5cm厚4.0～5.0mm、底層15～20mm。

3.5.2動(dòng)床沖刷模擬

蘇巴什水庫動(dòng)床沖刷模擬按泄水建筑物最大下泄流量350m3/s進(jìn)行，共模擬2種工況，工況1基于泄水建筑物現(xiàn)狀體型下，工況2基于最終優(yōu)化方案。每種運(yùn)行工況下游動(dòng)床沖刷試驗(yàn)均保持沖刷歷時(shí)5h以上，即原型約為31h。

工況1：在泄水建筑物現(xiàn)狀體型下，隨著流量的增加，沿程水流主流始終偏于右岸，消力池段內(nèi)出現(xiàn)局部回流現(xiàn)象，消力池末端至護(hù)坦末端亦出現(xiàn)不同程度上的折沖水流，水流流態(tài)較亂。隨著流量的持續(xù)加大，達(dá)到最大下泄流量350m3/s時(shí)，消力池消能效果明顯欠佳，右岸邊墻以及河道整治段出現(xiàn)明顯的局部沖刷現(xiàn)象，靠近右邊墻部位和交通橋防沖齒墻附近沖刷嚴(yán)重，護(hù)坦出口處最大沖坑深度為10.6m，下游交通橋防沖齒墻處最大沖坑深度為9.6m，。沖刷后地形如圖5所示。

工況2：在增加連續(xù)消力坎后可有效降低下游護(hù)坦出口處水流流速，減緩下游沖坑沖刷嚴(yán)重程度，使得沖坑范圍減小，并將底孔泄洪沖砂閘沿右側(cè)邊墻的集中束流導(dǎo)向河道中部偏左岸。其中，護(hù)坦出口處最大沖坑深度為8.22m，下游交通橋防沖齒墻處最大沖坑深度為7.70m，沖刷后地形如圖6所示。

4 結(jié)論與建議

結(jié)合新疆柯坪縣蘇巴什水庫工程泄水建筑物現(xiàn)狀進(jìn)行消力池消能防沖優(yōu)化試驗(yàn)，得出以下結(jié)論與建議。

(1)挑流扭坎可起到導(dǎo)流作用，但不能有效降低護(hù)坦末端流速，消能效果不明顯；導(dǎo)向坎可加大水流碰撞，過流斷面流速、水深分布均勻，結(jié)合消力坎消能，大幅度降低護(hù)坦出口流速，但由于其高度受到實(shí)際工程限制，故取消導(dǎo)向坎的設(shè)置；消力坎主要起到增加消力池池深的作用，加大池內(nèi)水流碰撞翻滾，池內(nèi)明顯形成水流撞擊、回流等現(xiàn)象，消能效果良好。

圖5 工況1下游河道整治段沖坑地形

圖6 工況2下游河道整治段沖坑地形

(2)原方案未設(shè)置輔助消能工時(shí)，僅靠底流式聯(lián)合消力池自身消能，消能效果不理想，泄水建筑物下游主流集中于右岸，對右岸邊墻和下游河床沖刷嚴(yán)重；最終優(yōu)化方案下水流撞擊消力坎有翻越現(xiàn)象，消能效果明顯，主流流經(jīng)消力池段后，遠(yuǎn)離右岸，向中部及左岸偏移，水流均勻分布，流態(tài)改善情況較好，最后一道消力坎繞坎中心垂線旋轉(zhuǎn)10°時(shí)可使護(hù)坦段水流分布均勻，有效降低下游護(hù)坦出口處水流流速，減緩下游沖坑沖刷嚴(yán)重的情況。