肯斯瓦特水利枢纽工程泄洪冲砂洞水工模型试验优化设计

苏翠玲 李 岩

(新疆兵团勘测设计院 新疆 石河子 832000)

1 概述

新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程是一座控制性骨干工程，具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能。水库总库容1.89亿m3，控制灌溉面积316.3万亩，电站装机100MW，年均发电量2.7亿kW·h。泄洪冲砂洞位于大坝右岸，采用“龙抬头”方式与导流洞结合，进口底板高程930.0m，隧洞全长511.48m，洞身段为无压城门洞型，结构尺寸6m×6.7m（宽×高），最大泄量500m3/s（限泄），出口消能方式采用底流消能。

新疆玛纳斯河为多泥沙河流，悬移质多年平均输沙量336.7万t，输沙率为106.8 kg/s，同期含沙量为2.73 kg/m3，侵蚀模数726.1t/km2。泄洪冲砂洞在运行期存在水头大、流速高等问题，为了论证泄洪冲砂洞各部分设计的合理性、可靠性及对设计的掺气措施和消能措施的优化，进行了水工模型试验。

2 水工模型试验目的

本工程正常蓄水位为990.0m，校核洪水位为993.35m。泄洪冲砂洞进口高程930.0m，洞长511.48m，采用“龙抬头”方式与导流洞连接，隧洞最大流速为34.52m/s。为了验证根据理论计算所设计的掺气措施及消能措施的合理性，确保工程运行安全，对工程进行了模型试验，为工程后期设计提供试验支持。

3 水工模型试验内容

该试验由西北农林科技大学水工模型试验室承担，模型比例采用1∶60，尽可能真实地模拟建筑物进出口边界条件。模型试验主要的内容为：

（1）验证泄洪冲砂洞在闸门全部开启及各种局部开启时的泄洪能力，测定工作闸后渐变段、无压洞、明流洞及消力池的水面线、流速及压强分布，绘制相应的水位～流量关系曲线，据此复核各特征工况的泄流能力。

（2）观测主要工况进水口前引水渠水流流态，观测进水口前是否产生漩流及漩流的性质，产生漩流的界限水位，确定泄洪冲砂闸的合理运行方式。

（3）根据试验结果对泄洪冲砂洞不同部位建筑物体型进行评价，并进行必要的修改优化。

（4）根据试验结果优化选择掺气槽的布置、数量、体型尺寸，观测主要工况下掺气槽的水流参数及掺气效果，供设计选用。

（5）观测不同工况下下游河道的水面线、河道流速、流态及消能防冲效果，对下游河道消能防护设施作出评价，提出改进意见。

（6）对优化后的泄洪冲砂洞体型进行模型试验。

4 水工模型试验分析

4.1 设计泄量工况下模型试验情况

模型试验首先对肯斯瓦特水利枢纽泄洪冲砂洞各特征工况的泄流能力进行了率定，特征水位设计泄量与试验实测泄量比较见表1。

由表1可见，泄洪冲砂洞各特征水位（全开）实测泄量均略大于设计泄量，差值在1.29%～1.49%之间，泄流能力满足设计要求。

试验测得原设计方案由于闸后扩散段较短，扩散角偏大（5.71°），龙抬头段上游端泄槽两侧水翅较严重，槽内有明显的折冲波存在。断面最大横向水面差分别达1.72m（校核工况）和1.81m（正常工况）。

在模型进口控制段顶部中线、闸槽及进口底板至消力池底板中线共布置压强测点36个。试验结果表明，除位于控制段末端7#测点压强为-1.2×9.81kPa外，其余测点压强均为正值，且分布较合理。

根据模型试验结果，下游河道除泄洪冲砂洞退水渠出口右侧冲刷外，下游河道其它部位无明显冲淤。

由于泄洪冲砂洞是由导流洞改建而成的“龙抬头”式泄水洞，控制段为短且有压孔口出流，工作水头大于60m。因此，工作闸后至龙抬头反弧段下游附近，不但流速较大、空化数较小，且属于容易发生空化空蚀破坏的区域。根据试验结果反弧段以上水流空化数整体偏小，流速偏大，而反弧段以下则相反。各断面流速、压强和空化数见表2。

表1 泄洪冲砂洞特征水位设计泄量与试验实测泄量比较

表2 校核水位闸门全开泄洪冲沙洞断面平均流速与水流空化数

表3 优化后的泄洪洞各特征水位实测泄量与原方案实测泄量 单位：m3/s

表4 校核工况下泄洪冲砂洞掺气特征

4.2 原设计方案试验结论

通过水工模型试验对肯斯瓦特水利枢纽工程泄洪冲砂洞原设计方案进行了验证，试验结果表明，泄洪冲砂洞各特征水位泄流能力实测值略大于设计值，满足设计要求；各工况进口引水渠流态良好；无压洞、明流洞水深及流速分布合理；消力池水跃位置合理、水跃完整稳定，消力池设计基本符合要求；各工况下游河道冲淤范围不大，冲坑深度3m～4.4m。

原方案泄洪冲砂洞存在的主要问题是控制段后扩散段较短，洞内局部水翅及折冲波较严重，需要修改优化。另外，消力池水面波动稍大，边墙高度略显不足。

4.3 优化后方案试验结果

根据模型试验结果，在原设计方案基础上针对其所存在的问题进行修改。修改内容主要有：

（1）控制段后渐变段由原设计10m调整为30m。

（2）消力池底板高程由861.41m调整为860.41m，同时，消力池上游斜坡段也随之作了调整。

优化后的泄洪洞各特征水位实测泄量与原方案实测泄量见表3。由表3可以看出，优化后泄量较原方案增加1.01%～0.47%，泄流能力满足设计要求；闸后渐变段由10m调整为30m后龙抬头段流态明显改善，断面水深分布较为均匀；将消力池底板高程调整到860.41m后，水跃位置有所上移，消力池长度较为富裕，水面波动有所减弱，流态得到改善。

根据溢洪道设计规范和类似工程经验，本试验在闸后0+037.00m、0+120.39m和0+183.13m处分别设置一道掺气坎。各掺气坎掺气特征值见表4。

5 结语

通过对原设计方案进行模型试验，根据试验结果对原设计方案进行优化，优化后方案泄量、流态、压强分布、空化数和下游河道冲刷等都符合规范要求，提高了工程安全度，为工程后期设计提供了试验支持。陕西水利

[1]李炜．水力学计算手册（第二版）[M].中国水利水电出版社，2006，06．

[2]溢洪道设计规范（SC253-2000）[S].中国水利水电出版社，2000，08．

[3]夏毓常．水力计算论文集[M].中国水利水电出版社，1997，10．

[4]西北水科所．肯斯瓦特水利枢纽工程泄洪洞水工模型试验报告[R]．2009，10．