川江水利枢纽水工模型试验研究

卓 淳 马建伟 赵 俐

（广西桂林市水利电力勘测设计研究院 广西桂林 541001）

1 工程概况

桂林市川江水利枢纽是桂林市防洪及漓江补水枢纽工程之一，位于漓江上游支流川江上，工程的开发任务是以城市防洪和生态环境补水为主，结合发电等综合利用。工程防洪保护对象主要为桂林市城区，兼有对漓江沿岸的防洪减灾作用；工程枯水期向漓江补水，是实施漓江生态环境补水的重要水源工程。

川江水利枢纽拦河坝为碾压混凝土重力坝，由左岸非溢流坝段、右岸非溢流坝段和溢流坝段组成。坝顶总长259m，坝顶高程278.00m，坝顶宽8m，最大坝高83m。（大坝下游立视见图1）拦河坝上游面210.00m高程以上为铅直面，220.00m高程以下坝坡为1∶0.2。左、右岸非溢流坝段下游坝坡为1∶0.8，起坡点高程270.00m，270.00m高程以上为铅直面。

溢流坝段位于大坝中部靠左岸，长34.0m，布置2个表孔和1个中孔联合泄洪。表孔采用开敞式WES型实用堰，堰顶高程266..00m，每孔净宽10m，堰面曲线为Y＝0.09478X1.836，溢流坝段下游面坡度为1∶0.8。溢流坝泄洪采用挑流消能型式，反弧段半径为25m，挑射角25°，鼻坎高程226.34m。堰顶设弧形工作闸门。中孔布置在表孔中墩下部，进口底高程244.00m，孔宽4.0m，底坡i＝0，进口段顶曲线采用椭圆曲线，进口底部前沿为圆弧曲线，半径2m，进口两侧前沿为椭圆曲线，平板事故检修闸门设在进口段之后，孔口尺寸为4.0×5.5m （宽×高），出口端设压坡段，坡度为1∶4，后接弧形工作闸门，闸门孔口尺寸为4.0×4.5m （宽×高）。溢流坝段表孔边墩厚度为2.5m，中墩厚9.0m。

水库正常蓄水位为274.00m，设计洪水位 （P＝1%）275.00m，防洪高水位为275.00m，校核洪水位为 （P＝0.1%）275.17m，汛限水位263。31m，发电死水位为244.00m，水库死水位为230.00m。在设计洪水位时的最大下泄流量为598m3／s，相应下游水位214.64m，校核洪水位时最大 下 泄 流 量 为 1463.5m3／s，相 应 下 游 水 位217.18m；中孔在汛限水位263.30m时的下泄流量不小于100m3／s。30年一遇洪水时下泄流量为474m3／s，相应下游水位为214.17m。

2 实验目的

本试验拟通过水工断面模型试验及整体模型试验，研究泄水建筑物流态、泄流能力、体型优化、消能效果、下游河床冲刷和防护措施，验证枢纽布置方案的合理性，并针对试验中存在问题提出修改意见，为初步设计提供技术依据。

中孔断面模型试验目的为：研究中孔进、出口体型对中孔泄流的影响，优化中孔进、出口体型；验证泄流能力；量测水面线、流速及压力分布；研究大坝下游冲抗深度，观测下游消能区流态；评价工程安全性。

整体模型试验的目的为：在中孔断面模型的基础上，进一步优化中孔出口体型；研究表孔闸墩体型对泄流的影响，验证泄流能力；量测水面线、流速及压力分布及大坝下游冲抗深度；研究中、表孔单独泄洪及联合泄洪情况下下游冲抗深度、流态；观测各种泄流工况下游消能区流态；优化反弧半径、鼻坎高程、挑射角，研究下游防护措施，评价工程安全性。

3 下游河床岩石的抗冲性能

溢流坝段布置于河床偏左岸，坝基主要置于弱风化D2y3、D2y4岩层，岩性为砂岩、细砂岩局部夹泥岩，岩石坚硬，力学强度高；消力池下游冲刷区内开挖及出露基岩为D2y3、D2y4岩层，岩性为泥质粉砂岩、细砂岩局部夹泥岩，岩石坚硬，力学强度高。允许抗冲流速：砂卵石1～1.5m／s，强风化2～3m／s，弱风化4～5m／s；冲刷系数：砂卵石1.8，强风化1.3，弱风化1.1。

4 断面模型试验

4.1 模型设计与制作

川江水利枢纽溢流坝断面模型试验在室内玻璃水槽中进行，玻璃水槽宽60cm，高1.8m，长20m。根据玻璃水槽尺寸，模型模拟34m长的溢流坝段，模型几何比尺选用1∶56.7，断面模型按重力相似设计为正态模型。模型坝体、闸墩和消力池用水泥浆刮制，过水表面均进行烫蜡处理。地形用1∶2.5水泥砂浆抹面，模型精度及相似性满足试验要求。

4.2 溢流坝泄流能力

4.2.1 溢流坝泄流能力试验及成果分析

本工程溢流坝的主要任务为宣泄洪水，降低水库运行水位，保证水库按预定的运行调度方案运行，确保水库在汛限水位263.31m时下泄流量不小于100m3／s，并具有排污、排漂功能。根据溢流坝泄流任务，设计采用表孔与中孔联合泄流方案，溢流坝工程布置图见图1。试验模型上游地面高程按205m高程模拟，溢流坝下游地形按207.63m高程模拟。

敞泄各级洪水流量工况下，泄流能力试验结果见表1和图2。

断面试验结果表明，从试验结果来看，上游水位的试验结果和设计值低0.00～0.40m，说明模型试验的过水能力和设计计算值相近，高水位时大于设计值，设计方案满足要求。

表1 表孔与中孔联合泄流方案的泄流能力试验结果

4.2.2 溢流坝中孔泄流能力试验及成果分析

在汛限水位263.31m下，关闭表孔，在中孔全部开启和局部开启3m、2m、1m时的泄流能力试验结果见表2，图3。

从表2可看出，中孔在汛限水位263.31m时下泄流量为262m3／s，满足汛限水位下设计下泄流量不小于100m3／s的要求。此外，各开度下中孔的流量系数试验值均在正常范围。

图1 表孔与中孔联合泄流的泄流能力曲线

图2 中孔泄流能力试验曲线

4.2.3 流态分析

（1）表孔与中孔联合泄流

①Q＝1463.5m3／s（校核工况）。坝前水流较为平静，没有出现旋涡等不利水流现象；水流经过表孔堰顶后平顺下泄，堰面水流分布均匀；中孔下泄水流底部脱离下游坝面，水流坠落点在溢流坝反弧段的最低点处，没有出现水流反射现象；中孔出流横向扩散不明显。由于受中孔下泄水流的影响，表孔下泄水流被挤向两侧，造成表孔和中孔的水流汇合后，两侧的水深大于中间，两侧的水面低于导墙顶，但有水花翻越导墙。水流经挑坎末端处向下游方向挑射，并向两侧展开，下泄水流水舌挑距约为94cm，水流在冲坑内翻腾旋滚强烈，冲坑下游水流较平顺。

②Q＝598m3／s（设计工况）。坝前水流较为平静，没有出现旋涡等不利水流现象；水流经过表孔堰顶后平顺下泄，堰面水流分布均匀；中孔下泄水流脱离下游坝面，水流坠落点在溢流坝反弧段的最低点附近，没有出现水流反射现象；中孔出流横向扩散不明显。表孔和中孔的水流汇合后，两侧的水深大于中间。水流经挑坎末端处向下游方向挑射，并向两侧展开，下泄水流水舌挑距约为79m，水流在冲坑内翻腾旋滚强烈。

③Q＝474m3／s（消能防冲工况）。坝前水流平静，没有出现旋涡等不利水流现象；水流经过表孔堰顶后平顺下泄，堰面水流分布均匀；中孔下泄水流没有完全脱离下游坝面，水流坠落点在溢流坝反弧段的上游侧。水流经挑坎末端处向下游方向挑射下泄水流挑距约为57m，水流在冲坑处翻腾旋滚强烈，冲坑下游水流平顺。

④Q＝296m3／s。上游水位与溢流堰顶即表孔底部平齐，无水流从表孔溢出，单独由中孔泄流，中孔进口水流均较为平静，中孔出流没有脱离下游坝面，水流坠落点在直线段与反弧段连接处附近，水流经挑坎末端处向下游方向挑射，挑坎处水流稳定，在挑射过程中逐渐向两侧展开，下泄水流水舌挑距约为37m，水流在冲坑处形成轻微的旋滚，冲坑下游水流向平顺。

（2）中孔独立泄流

在汛限水位263.31m下，关闭表孔，中孔全部开启和局部开启3m、2m、1m时的泄流态如下：

①中孔全开。中孔进口水流均较为平静，中孔下泄水流没有完全脱离下游坝面，水流坠落点距离中孔出口水平距离约19.8m，水流经挑坎末端处向下游方向挑射，并向两侧展开，下泄水流水舌挑距约为57m。

②中孔开3m。中孔进口水流均较为平静，中孔下泄水流没有脱离下游坝面，水流坠落点距离中孔出口水平距离约19.8m，水流经挑坎末端处向下游方向挑射，并向两侧展开，下泄水流水舌挑距约为50m。

③中孔开2m。中孔进口水流均较为平静，中孔下泄水流没有脱离下游坝面，水流坠落点距离中孔出口水平距离约23m，水流经挑坎末端处向下游挑射，挑距约为42m。

④中孔开1m。中孔进口水流均较为平静，中孔下泄水流紧贴下游坝面，水流经挑坎末端处向下游方向挑射，挑距约为28m。

4.3 动床冲刷试验

本次动床冲刷试验采用散粒体制作动床模型，根据设计方提供的河床基岩抗冲流速3～4m／s，按照伊兹巴什公式计算，取冲料当量粒直径为5～10mm。试验的冲刷时间不少于3h。

分别取30年一遇消能防冲建筑物的设计洪水标准（Q＝474m3／s）、溢流坝100年一遇设计洪水（Q＝589m3／s）、汛限水位263.31m 下中孔敞泄（262m3／s）三个工况进行动床冲刷试验。

试验结果见表3，下游冲刷情况见图3、图5。

表3 断面模型试验最大冲坑深度表

图3 下游河床冲淤图（Q＝598m3／s）

图4 下游河床冲淤图（Q＝474m3／s）

图5 下游河床冲淤图（Q＝262m3／s）

从测试的三个流量来看，下游冲坑深度随下泄流量加大而增加，冲坑深与水舌挑距的比值均小于规范值1／2.5，故冲坑不危及大坝的安全。

5 结论

（1）泄流能力试验结果表明，采用表孔与中孔联合泄流方案时，上游水位的试验结果较设计值略低，说明模型试验的过水能力和设计计算值相近，高水位时略大于设计值，泄流设计方案满足要求。（2）中孔泄流能力试验结果表明，中孔在汛限水位263.31m时闸门全开的下泄流量为262m3／s，满足汛限水位下设计下泄流量不小于100m3／s的要求。

（3）30年一遇消能防冲建筑物的设计洪水标准（Q＝474m3／s）、溢流坝100年一遇设计洪水（Q＝589m3／s）、汛限水位263.31m 下中孔敞泄（262m3／s）三个工况的动床冲刷试验结果表明，下游冲坑深度随下泄流量加大而增加，冲坑深与水舌挑距的比值均小于规范值1／2.5，冲坑不危及大坝的安全。

1 《混凝土重力坝设计规范》（SL319－2005）

2 川江水利枢纽工程初步设计报告，桂林：桂林市水利电力勘测设计研究院，2009

3 《川江水库水工模型试验研究》，广西大学土木建筑工程学院，2009