碾盤山水利樞紐泄水閘泄流能力模型試驗(yàn)研究

施得兵，李 寧，焦婷麗

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430000；2. 武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072)

碾盤山水利水電樞紐工程位于湖北省荊門市，壩址位于鐘祥市城區(qū)上游10 km的沿山頭。水庫(kù)等別為二等工程，大(2)型水庫(kù)。工程主體建筑物由泄水閘、河床式電站廠房、連接重力壩段、船閘及魚道等組成，壩軸線總長(zhǎng)750.2 m，采用一線式布置。泄水閘采用平底閘型，閘室底板高程31.82 m，閘頂高程為53.22 m，閘高21.4 m。泄水閘考慮在允許抗沖流速條件下，能安全通過設(shè)計(jì)和校核流量，且滿足水庫(kù)在控制水位條件下通過相應(yīng)的控制流量，本文涉及的試驗(yàn)研究階段共設(shè)22孔，每孔凈寬13.0 m，兩孔一聯(lián)，閘墩厚3.2 m。工作閘門采用弧形鋼閘門，動(dòng)水啟閉，由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。泄水閘采用底流消能，從有利于泄洪調(diào)度及節(jié)約工程量的角度考慮，確定22孔泄水閘采用Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)泄洪分區(qū)，以下簡(jiǎn)稱分區(qū)Ⅰ、分區(qū)Ⅱ。考慮廠房沖砂要求，分區(qū)Ⅰ為10孔水閘，緊臨廠房左側(cè)布置，閘室下游設(shè)60 m長(zhǎng)的混凝土消力池，池深2.0 m；分區(qū)Ⅱ?yàn)?2孔水閘，位于左岸，閘室下游設(shè)60 m長(zhǎng)混凝土護(hù)坦。

碾盤山水利樞紐壩址河段為寬淺型河道，為了研究水工建筑物布置的合理性及流速、流態(tài)、動(dòng)水壓力、水面線、消能等系列問題，委托研究單位分別開展了樞紐整體物理模型試驗(yàn)研究和斷面物理模型試驗(yàn)研究，整體模型與斷面模型均開展了泄流能力復(fù)核研究[1-3]，二者總體結(jié)論一致，但研究成果定量上有一定差異，本文對(duì)此進(jìn)行介紹與討論。

1 模型設(shè)計(jì)與制作

雖然樞紐河段具有寬淺型特征，但研究過閘水流屬于水工水力學(xué)問題，具有較強(qiáng)的三維性，為了使模型更真實(shí)地反映泄水建筑物的水流規(guī)律，模型采用正態(tài)，按照弗汝德相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[1-3]。

模型比尺根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地條件、試驗(yàn)系統(tǒng)供水能力、試驗(yàn)量測(cè)精度、模型最小水深的限制等綜合考慮確定。整體模型幾何比尺λl=90、流量比尺λQ=76843、λn=2.12，斷面模型幾何比尺λl=40、流量比尺λQ=10 119、λn=1.85。

整體模型(見圖1)模擬范圍包括水庫(kù)段(至壩上0～1 700 m處)、主體水工段和尾水段(至壩下0+2 600 m)，主要模擬的水工建筑物包括一座泄水閘共22孔，一座電站，一座船閘，一座魚道，一座土石壩段，一座重力壩段。模型最高控制高程為壩頂高程53.22 m，最低為防沖槽底部高程23.77 m。泄水閘斷面模型選擇Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)各兩孔，閘前模擬長(zhǎng)度240 m，閘后模擬范圍包括消力池、海漫、防沖槽，長(zhǎng)度300 m。

圖1 整體模型實(shí)景圖片

整體模型、斷面模型(見圖2)的水工部分均采用有機(jī)玻璃制作，其糙率約為0.007～0.008。河床采用混凝土抹面模擬，通過施工工藝控制模型與原型的阻力相似。模型采用電磁流量計(jì)與閘閥控制流量、尾門控制水位。

圖2 斷面模型實(shí)景圖片

2 泄流能力觀測(cè)與分析

整體模型采用Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)泄水閘全部敞泄特征流量的方式進(jìn)行流量復(fù)核，試驗(yàn)結(jié)果見表1。斷面模型則采用分別測(cè)試、綜合折算的方式進(jìn)行流量復(fù)核。為了增加與整體模型的對(duì)比性，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)泄水閘的泄流能力均折算為22孔。按照下游水位、總泄流量不變的原則，將Ⅰ區(qū)泄水閘、Ⅱ區(qū)泄水閘泄流能力通過就近線性擬合的方式進(jìn)行折算，得到Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)泄水閘聯(lián)合泄洪時(shí)的庫(kù)水位。斷面模型Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)泄水閘單獨(dú)泄洪(折算為22孔)與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)泄水閘聯(lián)合泄洪的泄流能力見表2。設(shè)計(jì)條件下、整體模型、斷面模型的泄水閘庫(kù)水位～流量關(guān)系曲線見圖3。由圖3可見，無論整體模型還是斷面模型，模型泄流能力均大于設(shè)計(jì)泄流能力，說明泄洪閘泄流能力滿足要求。隨著庫(kù)水位的抬升，整體模型觀測(cè)的泄流能力大于設(shè)計(jì)泄流能力的趨勢(shì)越來越明顯，但斷面模型觀測(cè)的泄流能力折算的聯(lián)合泄流能力在庫(kù)水位處于48～50 m之間時(shí)，模型泄流能力大于設(shè)計(jì)泄流能力的趨勢(shì)較明顯，但庫(kù)水位小于48 m或大于50 m時(shí)，這種趨勢(shì)有所減弱。

表1 整體模型全部泄水閘敞泄泄流能力表

3 結(jié) 語(yǔ)

1)泄流能力驗(yàn)證是水利樞紐設(shè)計(jì)過程中常規(guī)且非常重要的工作。由于整體模型除了模擬全部過水建筑物外，為了保證過閘水流整體的相似性，上下游河道模擬范圍也相對(duì)較大，其對(duì)泄流能力的校核相對(duì)斷面模型而言更為全面。對(duì)于寬淺型河道而言，河道阻力相似的模擬較一般河道更加重要。碾盤山整體模型是在導(dǎo)截流模型的基礎(chǔ)上改建的，在導(dǎo)流模型試驗(yàn)階段，對(duì)模型河道糙率進(jìn)行了驗(yàn)證，從而保證整體模型糙率的相似性[4]。但是，導(dǎo)流期河床過水范圍僅僅是整體模型流量校核時(shí)河道過水范圍的一部分，所以在大流量情況下河道水位漫灘后的糙率相似還存在一定的不確定性。而斷面模型只模擬了泄水閘，河道采用矩形槽進(jìn)行概化，從總體幾何相似性來講，斷面模型不如整體模型。

表2 斷面模型泄水閘敞泄折算泄流能力表

圖3 碾盤山泄水閘庫(kù)水位～泄流量關(guān)系曲線圖

2)原型泄水閘糙率為0.014，根據(jù)阻力相似，整體模型、斷面模型的泄水閘過水部分制作材料糙率應(yīng)分別為0.006 6與0.007 6。在物理模型試驗(yàn)中，有機(jī)玻璃是制作水工建筑物的最常用材料，不論是整體模型還是斷面模型，泄水閘都由有機(jī)玻璃加工制作，其糙率約為0.007～0.008。從這一點(diǎn)來講，整體模型泄水閘的糙率偏大，其泄流能力將一定程度上偏小，而斷面模型泄水閘糙率比較接近阻力相似，過流能力更加接近實(shí)際。

3)斷面模型比尺小，從量測(cè)精度來講優(yōu)于整體模型。例如，碾盤山整體模型的幾何比尺是斷面模型幾何比尺的2.25倍，而整體模型流量比尺是斷面模型流量比尺的7.59倍。

建議工程運(yùn)行以后，加強(qiáng)泄水閘泄流能力的原型觀測(cè)，并將原型觀測(cè)成果與模型試驗(yàn)成果進(jìn)行比對(duì)，從而為物理模型試驗(yàn)糙率處理、流量復(fù)核分析提供權(quán)威的參考。