汾河二库大坝泄水建筑物消能及下游河道冲刷问题研究

王秋鹏

（山西省汾河二库管理局，山西 太原 030012）

1 大坝泄洪建筑物概述

汾河二库枢纽大坝泄洪任务由泄洪底孔、溢流表孔和供水发电隧洞共同承担，其中溢流表孔坝段布置于河床中部，共3孔，泄流底孔对称布置于溢流表孔两侧，每侧各布置2孔。

泄流底孔长68.25m，进口段长7.465m，底高程859.0m，为5.8m×7.2m的矩形断面，设平板事故检修门；压力洞段长28m，断面尺寸为5.8m×7.2m；出口收缩段长7.2m，孔口尺寸为5.8m×6m，出口设弧形工作闸门控制；门后为9.4m平流段接扩散挑流鼻坎消能工，扩散段长16.2m，侧墙以1∶9向下游扩散，反弧段长13.7m，反弧半径28.0m，挑射角27°，鼻坎高程862.05m。

溢流表孔坝段每孔净宽12m，为开敞式溢流堰，堰顶高程902.0m，堰面曲线采用幂曲线，公式为y=0.099xl.85，堰面曲线与坡比为1∶0.75的斜直溢流面相切。斜直线段下接反弧段，反弧段圆心角为53.13°，反弧段最低点高程为866.29m，反弧半径15.0m，挑角25°。挑流鼻坎为连续式，挑坎高程为861.7m。溢流堰面曲线的原点上游堰面由1/4椭圆曲线组成，椭圆曲线与竖直线坝面切点的高程为900.88m。自高程857.7m以下，坝上游面坡比为1∶0.2。

汾河二库总库容1.33亿m3，设计洪水重现期为100年一遇，校核洪水重现期为1000年一遇。正常高水位905.7m，相应下游水位855.7m（地下水位），汛限水位905.7m；设计洪水位907.32m，相应下游水位859.8m，相应下泄流量3450m3/s；校核洪水位909.92m；相应下游水位861.15m，相应下泄流量5168m3/s。从利于排沙和便于运行操作角度考虑，水库遭遇100年一遇和小于100年一遇洪水时由泄流底孔泄洪，大于100年一遇洪水时，由泄流底孔、溢流表孔和供水发电隧洞共同泄洪。

2 基本资料

河道模型按照山西省水利设计院1995年实测地形图进行制作。

河道模型岩石与土或砂卵石分界线由山西省水利设计院地质勘察队提供，两岸除电站平台按防洪堤进行模拟外，其余按直立岩石坡度考虑。河床砂卵石覆盖层平均厚度按26m考虑，大坝处基岩高程平均按830m考虑，基岩边界按定床、砂卵层按动床试验。两岸建筑物均按设计要求进行模拟。

河床覆盖层模拟是依据坝基探坑颗分资料，采用天然砂作为模型砂，按照级配曲线进行选配。由于小颗泥沙在冲刷过程中对河道冲淤变化影响较小，故模型砂中大于0.1mm的部分严格按级配曲线控制，约占70%以上，小于0.1mm的部分占总量30%。

根据调洪演算下泄流量过程，泄水过程概化为5个流量等级、7个流量时段进行模拟。

3 分级泄洪消能及下游河道冲刷模拟

3.1 大坝下游河道流态及流速分布

当下泄流量为440m3/s时，局部开启一底孔闸门，虽然冲刷区回流有一定范围，也不对称，但不会对工程有危害，主流沿原河槽流动。

当下泄流量为877m3/s时，如开启右侧一孔后，冲刷区明显不对称，左侧为较大回流区，回流可至左岸，达坝脚，但强度很弱，不会造成危害。电站防洪堤首部水流比较平稳，仅达4.5m3/s，冲刷不严重，河流维持原河道流势。

大坝泄流为较小流量时，除水舌入水处及其附近流速高、冲淤变化大外，其余地段流速均较小。当下泄流量为1740m3/s时，如左右侧各开一孔闸门，坝后冲刷区水流对称，流态比较平稳，水舌入水处左侧虽受地形影响，逆时针回流较大，但回至水舌入水处即基本结束，危害不大，对坝脚没有影响。电站防洪堤首部水流在横断面上分布比较均匀，断面流速分布、水深等均比较接近。受弯道水流的影响，凹岸形成冲刷，凸岸形成淤积。

各处流速一般均小于岩石抗冲流速，电站防洪堤首部流速最大仅5.3m/s，冲刷不严重。该流量介于10～20年一遇洪水之间，时段比较长，河床基本达到冲淤平衡。

当下泄流量为3579m3/s时，（库水位907.32m，为水库100年一遇泄量），大坝4个底孔同时泄洪，坝后冲刷区流态基本对称。坝脚处流速很小，下游左侧150m处因地势开阔，有逆时针回流，但回流范围不大，流至水舌入水处而汇入主流，对坝脚无影响。冲刷区两岸陡崖处流速基本小于岩石的抗冲流速，只有个别点流速接近6m，坝脚水位接近挑坎高程。弯道以后的水流比较稳定。

当下泄流量为5168m3/s时（库水位909.92m，为水库1000年一遇泄量），因流量大，河道水位上升高，坝后冲刷区、水舌前沿宽度占河道宽度的80%以上。加之河道水深大，岸边流速均较小，水流比较稳定，坝脚部位比较安全。

3.2 大坝下游河道冲淤变化

大坝修筑以后改变了原河床水力条件。大坝泄洪时，无论泄量大小都会引起河道在一段距离内的冲淤变化。各级流量河道冲淤情况如下：

当一孔泄洪时（如右边孔开启，泄洪流量为877m3/s），除水舌入水区右岸陡崖接触冲刷局部高程可达840m外，其余部位均无严重冲刷，坝脚床面高程为850m以上。下游河床沿两岸凹岸为主流冲刷区，最大冲深达840m，但对大坝没有影响。

当两孔开启时（库水位905.7m，泄洪流量为1754m3/s），左右侧各开一孔，坝后冲刷坑区的冲淤变化基本对称，大坝下游约100m处冲坑较深，最深点高程839.17m。坝脚处床面高程在850m以上，冲坑对大坝安全无影响。下泄该流量对下游建筑不会造成破坏。

当泄洪流量达100年一遇流量时，4个底孔全部泄洪，由于水流对称，回流不大，坝脚冲刷不大，河床高程850m以上，冲刷区沿两岸的接触冲刷最深点高程可达840m，对大坝安全无影响。大坝下游其他建筑物，除局部地段受淤积危害外，不存在冲刷危害。对建筑安全不会造成威胁。

当泄洪流量达1000年一遇校核流量时（流量为5168m3/s，库水位909.92m），因河道流量分布均匀，流速较小，坝脚河床高程仍在850m以上，左岸852m，右岸855m。由于受地形影响，左岸回流较大，强度较高，在大坝下游约120m处，冲坑最深点达833.08m。对大坝安全无影响。大坝下游建筑物冲、淤危害基本与100年一遇情况相同。

综上所述，大坝按分级泄流时，泄洪冲坑深度未达坝脚基岩，泄洪冲刷不会对大坝及下游其他建筑构成安全威胁。电站尾水渠出口淤积危害可用人工方法清除解决。

4 连续泄洪消能及下游河道冲刷

为了解洪水在连续过程中河道的流态变化，主要部位的水位、流速及冲淤变化，以便与分阶段试验资料进行比较，故对100年一遇洪水过程按流量分级进行连续泄洪试验，进行各级流量的流态观测及测量各主要部位的流速、水位及相应水深。流量分级及时段控制与分段试验相同，涨水时增加440m3/s一级，落水时增加877m3/s一级。

由各级流量的流态观测可知，当泄洪流量较小时，除坝后挑流冲刷区受底孔开启运行的方式影响略有不同外，其余部位连续泄洪与分段放水总的流态完全相同，主流线基本不变，都受弯道节点控制，冲刷区与淤积区基本不变，高程也基本相同。

各级流量的流速分布、大小及方向在连续放水与分级放水中基本相近，各级流量主要部位的流速值一般均小于6m/s。

由于行洪过程中难以看清河床的冲淤变化，只能根据感觉测其水深及相应水位来推算河床的冲淤变化。从实测资料分析，各级流量河床的冲淤变化规律与分阶段试验的结果一致。

5 结论及建议

第一，根据各主要断面的水位与流量关系以及河道沿程水面线分析，冲刷区末端的水位要高于坝脚水位。校核洪水位情况下，坝脚水位略高于挑坎顶高程外，其余各级流量下均低于挑坎高程，故挑坎高程基本合适。校核洪水位下，由于坝脚水位高于挑坎高程，故挑射水舌有些颤动，且水舌有通气不足现象，但因时间很短对大坝不会有太大危害。

第二，从各级流量条件下河床冲淤变化看，无论流量大小坝脚处均不会有严重冲刷，坝脚处河床高程均在850m以上。由于坝脚无大的回流，挑坎以下的坝面磨损破坏基本不存在。

第三，对小于设计洪水以下的流量，其坝后冲刷区的流态及河床冲淤变化与底孔开启运行方式有直接关系。因此，当泄洪流量超过一孔泄量后，尽量考虑两侧底孔对称开启运行，以保持河道水流对称，尽量减少回流。当出现低水位冲沙运行时，要求底孔对称开启运行，由于低水位运行，尽管流量小，但水舌挑距很近，甚至成跌流状态，其冲坑深度可达836m，且靠近坝脚，若回流不对称会对坝脚产生不良影响。