贵州大兴水利枢纽工程整体水工模型试验研究

2016-11-08苏通李桂青禹胜颖吕会娇

海河水利 2016年5期

关键词：消力池流态边墙

苏通，李桂青，禹胜颖，吕会娇

（中水北方勘测设计研究有限责任公司科学技术研究院，天津300222）

贵州大兴水利枢纽工程整体水工模型试验研究

苏通，李桂青，禹胜颖，吕会娇

（中水北方勘测设计研究有限责任公司科学技术研究院，天津300222）

通过大兴水工模型试验，对原设计方案的水流流态、流速分布、掺气情况及下游河道的流速、流态分布进行了试验研究与分析。通过设置宽尾墩对下游水流起到很好的消能防冲效果，优化了消能设施，验证了泄水建筑物的过流能力，为设计部门进一步优化枢纽布置提供了科学依据。

流态分布；宽尾墩；消能防冲；过流能力

1　工程概况

大兴水利枢纽工程位于贵州省铜仁市碧江区和松桃县境内，由挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物（供水管道）、3座泵站及发电厂房等组成。工程为铜仁新区和松桃县正大乡、大兴镇33.1万人提供生活用水，为正大乡和大兴镇680 hm2耕地提供农业灌溉用水，同时为正大农产品加工园区和大兴科技工业园区提供工业用水，并补充铜仁新区缺水量。

水库总库容4 675万m3，正常蓄水位514.00m，相应库容4 283万m3，校核洪水位515.30m，相应库容4 675万m3。工程等别为III等工程，规模为中型。挡水建筑物为混凝土重力坝，最大坝高52.00m，坝顶高程517.00m，坝顶全长96.00m，分为左、右岸非溢流坝段和河床溢流坝段。

泄水建筑物采用坝身表孔泄洪。坝身共设3个表孔，布置在河床中部，堰顶高程507.00m，每孔净宽10m，边墩及中墩均宽2.5m。主要建筑物设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇。消能防冲建筑物设计洪水标准为30年一遇，流量为931m3/s，采用底流消能方式。消力池长67.5m、宽35m、深5.5m，消能坎高1.6m，其后接长15m的海漫和长15m的抛石防护段，海漫段末端采用的抛石粒径为80 cm。水利枢纽平面布置，如图1所示。

图1　水利枢纽平面布置

原拱坝前河床淤泥质土为灰黄色、灰色，软塑，饱和，不均匀，略有臭味，粉砂含量30%～40%，含少量砾石，底部30 cm为卵砾石，粒径5 cm左右，呈次磨圆状。

泄洪工况方面，设计计算的水库下泄流量30年一遇为931m3/s、50年一遇为1 062m3/s、100年一遇为1 257m3/s、500年一遇为1 454m3/s。

2　模型设计与制作

为满足试验内容要求，结合试验供水条件，选定正态模型，确定几何比尺为50。模型试验范围包括坝轴线上游200m内地形，泄水建筑物，坝轴线下游375m内地形。溢流堰上闸墩、闸门及消力池边墙等建筑物均采用有机玻璃制作，溢流堰采用水泥沙浆刮制，上、下游地形采用高程控制法定点，用水泥沙浆抹面。根据大兴水库库区淤积泥沙颗粒曲线资料分析结果，试验中选取平均球体粒径为1mm的石英砂作为动床基岩冲料。

3　试验研究成果分析

3.1泄流能力

通过3孔运行的多组试验，得出水库敞泄和控泄下的上游水位与流量关系曲线。

泄流能力根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）附录A.3公式计算。其计算公式为：

式中：Q为泄流量（m3/s）；C为上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直面时C取1.0；m为流量系数；ε为侧收缩系数；σs为淹没系数，视泄流的淹没程度而定；B为溢洪道过水断面净宽（m）；Hw为计入行进流速的堰上总水头（m）；M为包含侧收缩系数的综合流量系数；g为重力加速度（m/s2）。

3.1.1敞泄运行

3孔敞泄试验上游水位与流量关系曲线，如图2所示。

图2　3孔敞泄上游水位与流量关系曲线

从图2可以看出，库水位为设计水位（h=514.00m）时，流量Q=1 151.1 m3/s，比计算值1 112 m3/s大3.52%，按式（1）计算的综合流量系数为0.468；库水位为校核水位（h=515.30m）时，流量Q=1 513.7m3/s，比计算值1454m3/s大4.11%，按式（1）计算的综合流量系数为0.477。这说明溢流坝设计规模满足要求，并有余量。

3.1.2控泄运行

试验分别观测了3孔开度同时为e=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m的上游水位与流量关系，其曲线如图3所示。闸门控泄时的泄流能力关系曲线可供管理部门在闸门运用时参考。

图3　3孔控泄上游水位与流量关系曲线

3.2原设计方案的下游流态

原设计方案下游交通桥设置在消力坎正上方，经试验表明，桥墩减小过流面积不利于泄流消能，水流对桥墩有较强的冲击力，桥面有溅水等也不利于桥结构及行人的安全。基于上述原因，建议将交通桥设置在防冲槽后一定距离处。经验证，交通桥设置在坝轴线下151m处是合理的。

消力池至下游原拱坝河段河床的淤泥主要为砂砾石，试验采用细石英砂模拟该处地形。通过试验发现，该处下游地形冲淤严重，临近左岸部分区域回流明显，右岸附近河床被淘冲干净，淤积在左岸，这是由于下游地形左岸有坡右岸直立的缘故。基于上述原因，考虑右岸进场道路路基安全及河床冲刷等问题，建议将消力池出口与下游地形衔接处改进，使右岸及左岸边墙均向左岸有一个倾斜，以便更平顺地与下游地形相接。

3.3设置宽尾墩消能防冲试验

本次模型试验设置宽尾墩，在下游原拱坝拆除后堰顶宽4m、高程471.50m情况下对4种工况分别观测了流速、流态及水面线。其中，工况1：上游来流为931m3/s（30年一遇），3孔全开敞泄；工况2：上游来流为1 062m3/s（50年一遇），3孔全开敞泄；工况3：上游来流为1257m3/s（100年一遇），3孔全开敞泄；工况4：上游来流为1454m3/s（500年一遇），3孔全开敞泄。

宽尾墩消力池联合消能机理，实质上是由堰顶收缩射流形成的一系列水流内部结构的变化所引起的。宽尾墩三元水跃较之常规的二元强迫（或自由）水跃和三元水跃在水流内部产生了更为剧烈的紊动剪切和混掺作用，形成常规平尾墩消力池所不可能有的附加消能。

3.3.1设置宽尾墩+池长67.5m方案的下游流态

当下泄流量为30年一遇洪水时，与未设置宽尾墩情况相比，设置宽尾墩后水流在墩尾处变窄增高，在空中对撞后入消力池剧烈翻滚，水跃明显提前，由于下游水位抬高，出池水流几乎没有紊动，在海漫处与下游水流很好地衔接，消能效果较好。当来流为50年一遇洪水时，随着流量的加大，消力池内水流翻滚更加剧烈，出池水流略有紊动，在海漫后与下游水流较好衔接。当来流为100年一遇洪水时，水流过溢流堰空中对冲后急速跌入消力池内，池内水面掺气明显，出池水流有紊动，下游地形出现冲淤。当来流为500年一遇洪水时，水流过溢流堰空中对冲后急速砸向堰末端，池内水流紊动剧烈，水面掺气明显，出池水流紊动掺气，下游冲刷严重。加宽尾墩后两边孔水流有明显的外溅，为了更好地提高下游的消能效果，对建筑物作了如下优化修改：

（1）将两边孔宽尾墩角度调小5°，可较好地防止水流外溅。

（2）由于水跃提前，消力池前段边墙处水流有溢出现象，建议加高消力池边墙。经试验测量，建议消力池边墙高度不得低于481.20m。

（3）针对下游河床冲刷问题，对出池左岸边墙与下游地形衔接处改进，即将防冲槽对应左岸边墙向左倾斜5°左右，也就是该处边墙倾斜至与下游交通桥最左侧桥墩相接的位置。经试验验证，在该下游衔接情况下，水流对下游河床的冲淤明显减少，回流相应减少，建议在施工及现场条件允许的情况下，可适当加长倾斜长度，尽可能与下游左岸地形有较好的衔接。

（4）针对下游原拱坝拆除后堰顶宽为4m和高程分别为470、471、471.50m 3种方案进行了对比试验，结果表明将下游拱坝抬高至471.50m有更好的消能效果。基于上述原因，建议下游原拱坝拆除后堰顶宽为4m、高程为471.50m。

3.3.2设置宽尾墩+池长60m方案的下游流态

与池长未折减情况相比，当下泄流量为30年一遇洪水时，池长折减后消力池内水流翻滚更剧烈，消力坎上水面增高，出池水流在海漫处与下游水流较好地衔接，消能效果较好，下游右岸河床淘刷不严重，左岸少有淤积。当来流为50年一遇洪水时，随着流量加大，消力池内水流翻滚更加剧烈，出池水流略有紊动，在海漫后与下游水流较好衔接，下游右岸河床淘刷加重，左岸河床淤积。当来流为100年一遇洪水时，水流过溢流堰空中对冲后急速跌入消力池内，池内水面掺气明显，出池水流有紊动，下游地形出现明显冲於。当来流为500年一遇洪水时，水流过溢流堰空中对冲后急速砸向堰末端，池内水流紊动剧烈，水面掺气明显，出池水流紊动掺气，下游冲刷严重，右岸淤泥质河床几乎被淘刷干净，左岸河床淤积严重。

3.4泄水建筑物合理运用方式

泄水建筑物闸门运用应遵循“对称、间隔、均匀、同步”的原则，尽量使下泄水流消能充分，减少对消力池及下游河道的冲刷破坏。为此，建议在小流量情况下单孔开启中孔，两孔同时运行时开启两边孔。