碾盘山水利枢纽泄水闸泄流能力模型试验研究

施得兵，李 宁，焦婷丽

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430000；2. 武汉大学，湖北 武汉 430072)

碾盘山水利水电枢纽工程位于湖北省荆门市，坝址位于钟祥市城区上游10 km的沿山头。水库等别为二等工程，大(2)型水库。工程主体建筑物由泄水闸、河床式电站厂房、连接重力坝段、船闸及鱼道等组成，坝轴线总长750.2 m，采用一线式布置。泄水闸采用平底闸型，闸室底板高程31.82 m，闸顶高程为53.22 m，闸高21.4 m。泄水闸考虑在允许抗冲流速条件下，能安全通过设计和校核流量，且满足水库在控制水位条件下通过相应的控制流量，本文涉及的试验研究阶段共设22孔，每孔净宽13.0 m，两孔一联，闸墩厚3.2 m。工作闸门采用弧形钢闸门，动水启闭，由液压启闭机启闭。泄水闸采用底流消能，从有利于泄洪调度及节约工程量的角度考虑，确定22孔泄水闸采用Ⅰ、Ⅱ两个泄洪分区，以下简称分区Ⅰ、分区Ⅱ。考虑厂房冲砂要求，分区Ⅰ为10孔水闸，紧临厂房左侧布置，闸室下游设60 m长的混凝土消力池，池深2.0 m；分区Ⅱ为12孔水闸，位于左岸，闸室下游设60 m长混凝土护坦。

碾盘山水利枢纽坝址河段为宽浅型河道，为了研究水工建筑物布置的合理性及流速、流态、动水压力、水面线、消能等系列问题，委托研究单位分别开展了枢纽整体物理模型试验研究和断面物理模型试验研究，整体模型与断面模型均开展了泄流能力复核研究[1-3]，二者总体结论一致，但研究成果定量上有一定差异，本文对此进行介绍与讨论。

1 模型设计与制作

虽然枢纽河段具有宽浅型特征，但研究过闸水流属于水工水力学问题，具有较强的三维性，为了使模型更真实地反映泄水建筑物的水流规律，模型采用正态，按照弗汝德相似准则设计[1-3]。

模型比尺根据试验场地条件、试验系统供水能力、试验量测精度、模型最小水深的限制等综合考虑确定。整体模型几何比尺λl=90、流量比尺λQ=76843、λn=2.12，断面模型几何比尺λl=40、流量比尺λQ=10 119、λn=1.85。

整体模型(见图1)模拟范围包括水库段(至坝上0～1 700 m处)、主体水工段和尾水段(至坝下0+2 600 m)，主要模拟的水工建筑物包括一座泄水闸共22孔，一座电站，一座船闸，一座鱼道，一座土石坝段，一座重力坝段。模型最高控制高程为坝顶高程53.22 m，最低为防冲槽底部高程23.77 m。泄水闸断面模型选择Ⅰ区、Ⅱ区各两孔，闸前模拟长度240 m，闸后模拟范围包括消力池、海漫、防冲槽，长度300 m。

图1 整体模型实景图片

整体模型、断面模型(见图2)的水工部分均采用有机玻璃制作，其糙率约为0.007～0.008。河床采用混凝土抹面模拟，通过施工工艺控制模型与原型的阻力相似。模型采用电磁流量计与闸阀控制流量、尾门控制水位。

图2 断面模型实景图片

2 泄流能力观测与分析

整体模型采用Ⅰ区、Ⅱ区泄水闸全部敞泄特征流量的方式进行流量复核，试验结果见表1。断面模型则采用分别测试、综合折算的方式进行流量复核。为了增加与整体模型的对比性，Ⅰ区、Ⅱ区泄水闸的泄流能力均折算为22孔。按照下游水位、总泄流量不变的原则，将Ⅰ区泄水闸、Ⅱ区泄水闸泄流能力通过就近线性拟合的方式进行折算，得到Ⅰ区、Ⅱ区泄水闸联合泄洪时的库水位。断面模型Ⅰ区、Ⅱ区泄水闸单独泄洪(折算为22孔)与Ⅰ区、Ⅱ区泄水闸联合泄洪的泄流能力见表2。设计条件下、整体模型、断面模型的泄水闸库水位～流量关系曲线见图3。由图3可见，无论整体模型还是断面模型，模型泄流能力均大于设计泄流能力，说明泄洪闸泄流能力满足要求。随着库水位的抬升，整体模型观测的泄流能力大于设计泄流能力的趋势越来越明显，但断面模型观测的泄流能力折算的联合泄流能力在库水位处于48～50 m之间时，模型泄流能力大于设计泄流能力的趋势较明显，但库水位小于48 m或大于50 m时，这种趋势有所减弱。

表1 整体模型全部泄水闸敞泄泄流能力表

3 结 语

1)泄流能力验证是水利枢纽设计过程中常规且非常重要的工作。由于整体模型除了模拟全部过水建筑物外，为了保证过闸水流整体的相似性，上下游河道模拟范围也相对较大，其对泄流能力的校核相对断面模型而言更为全面。对于宽浅型河道而言，河道阻力相似的模拟较一般河道更加重要。碾盘山整体模型是在导截流模型的基础上改建的，在导流模型试验阶段，对模型河道糙率进行了验证，从而保证整体模型糙率的相似性[4]。但是，导流期河床过水范围仅仅是整体模型流量校核时河道过水范围的一部分，所以在大流量情况下河道水位漫滩后的糙率相似还存在一定的不确定性。而断面模型只模拟了泄水闸，河道采用矩形槽进行概化，从总体几何相似性来讲，断面模型不如整体模型。

表2 断面模型泄水闸敞泄折算泄流能力表

图3 碾盘山泄水闸库水位～泄流量关系曲线图

2)原型泄水闸糙率为0.014，根据阻力相似，整体模型、断面模型的泄水闸过水部分制作材料糙率应分别为0.006 6与0.007 6。在物理模型试验中，有机玻璃是制作水工建筑物的最常用材料，不论是整体模型还是断面模型，泄水闸都由有机玻璃加工制作，其糙率约为0.007～0.008。从这一点来讲，整体模型泄水闸的糙率偏大，其泄流能力将一定程度上偏小，而断面模型泄水闸糙率比较接近阻力相似，过流能力更加接近实际。

3)断面模型比尺小，从量测精度来讲优于整体模型。例如，碾盘山整体模型的几何比尺是断面模型几何比尺的2.25倍，而整体模型流量比尺是断面模型流量比尺的7.59倍。

建议工程运行以后，加强泄水闸泄流能力的原型观测，并将原型观测成果与模型试验成果进行比对，从而为物理模型试验糙率处理、流量复核分析提供权威的参考。