橄欖壩電站對下游曼廳大沙壩河段影響研究

文香蘭

摘 要：通過建立瀾滄江橄欖壩～曼廳大沙壩河段物理模型，研究電站清水下泄對下游曼廳大沙壩河段的影響。在滿足模型試驗的相似要求前提下，沖刷坑的平面總體形態(tài)呈現(xiàn)淚滴形。在開始階段沖刷坑的深度變化較快，達(dá)到一定深度之后，深度變化減小，最終趨于穩(wěn)定，此時沖刷就達(dá)到了平衡狀態(tài)。丁壩最大沖刷深度和最大沖刷寬度的縱向位置基本一致。

關(guān)鍵詞：橄欖壩電站；曼廳大沙壩；河床演變

中圖分類號 TV147 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）24-138-03

Effect of Ganlanba Power Station on Downstream Manting Dashaba

Wen Xianglan

（School of River&Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：Through the establishment of the Lancang River Ganlanba-Manting Dashaba reach physical model，study the influence of plant water discharged to downstream Manting Dashaba reach.Under the premise that meeting the similarity requirements of model test，the overall plane shape of scour hole is teardrop.In the beginning，the depth of scour hole changes quickly.After reaching a certain depth，the chang is slow.When the depth tends to be stable，the scour reaches equilibrium state.The maximum scouring depth of spur dike and the vertical position of maximum scouring width is almost same.

Key words：Ganlanba power station；Manting Dashaba；River evolution

樞紐下泄清水后，下游河床含沙量的多少將會發(fā)生不同類型的沖刷。電站清水下泄影響前人已做過較多的研究，如錢寧[1-2]等對黃河三門峽水庫下游進(jìn)行了全面深入研究，陳明棟、文岑等[3-4]對小橄欖壩成灘原因進(jìn)行了分析。本文依托瀾滄江橄欖壩～曼廳大沙壩河段，采用物理模型研究電站清水下泄對下游復(fù)雜灘群整治建筑物安全的影響；研究成果可以為曼廳大沙壩灘群的結(jié)構(gòu)安全及防護(hù)提供技術(shù)支撐，同時可為類似技術(shù)問題的解決借鑒參考。

1 橄欖壩河段河道概況

瀾滄江是我國西南地區(qū)重要的河流之一，發(fā)源于青海省唐古拉山北麓，干流由北往南流經(jīng)青海、西藏、云南等省，從云南省西雙版納傣族自治州出境。橄欖壩電站位于瀾滄江的中游，上游為景洪水電站，下游為勐松水電站，壩址距上游景洪市約20km，距下游出境斷面約為60km。橄欖壩下游分布著許多寬淺相間的險灘，包括無名洲、曼哈洲、曼汀洲和曼龍洲（圖1）。橄欖壩處河段水面寬250m，而到曼汀寨時水面寬達(dá)2 500m。屬于典型的大肚子河段。

位于上端的曼哈洲洲頭將河道分為右、中2汊。略下的曼廳洲洲頭又將中汊分成左、中汊2個汊道，使中大肚子進(jìn)口段形成左、中、右3條汊道。在Q=9 000m3/s時，曼哈洲全部淹沒，所有汊道全部消失，水面寬2 500m；在Q=3 500～4 000m3/s時，曼廳洲被淹沒，此時左、中支合并。最枯水期Q<800m3/s時，左、右汊均斷流，中槽為單一河道，在落水期輸沙過程中，往往形成多個汊和多個江心洲，將對下游航道的通行能力及通航安全產(chǎn)生重要影響。

圖1 橄欖壩河段平面布置示意

2 河床演變特點

河道水流具有二相性、不恒定性、三維性、非均勻性和水沙不平衡性。水流由直道段進(jìn)入彎道后，在慣性力作用下對河岸岸坡防護(hù)邊墻產(chǎn)生沖擊；同時邊墻亦對水流施加反力，迫使水流轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生動量變化，造成水面局部雍高[5]。從橄欖壩到麻瘋寨，由于寬窄相間的淺灘，水流變化情況十分復(fù)雜。在曼哈洲頭處，水流指向左岸，左岸沖刷比較嚴(yán)重。在曼廳寨下游，曼哈洲與曼汀州為交替沙洲，曼哈洲位于凹岸上游，而曼廳洲位于凸岸，因此曼哈洲下游有被沖刷的趨勢。20世紀(jì)90年代，開始對曼廳大沙壩河段進(jìn)行工程整治，整治效果非常明顯，水深富足，航槽穩(wěn)定寬裕，達(dá)到Ⅴ級航道的尺度標(biāo)準(zhǔn)和通航條件。橄欖壩電站建成后，下游水沙條件改變，以及電站調(diào)峰產(chǎn)生的巨大沖力，將會對曼廳大沙壩河段產(chǎn)生非常重要的影響。

3 曼廳大沙壩河段模型試驗研究

3.1 模型設(shè)計 本試驗采用變態(tài)動床物理模型試驗，平面比尺采用1∶120，垂直比尺采用1∶30，變態(tài)率為4。模型范圍：從無名洲頭至曼龍切嘴處，長約3 600m。針對曼廳大沙壩河道特點，動床試驗主要研究曼廳大沙壩洲頭處整治建筑物的沖刷情況。由于模型場地限制，因此模型平面比尺定為1∶120。考慮到試驗河段寬深比相對較大，故模型設(shè)計為變態(tài)模型，垂直比尺通過計算求得。

3.2 模型水位驗證 根據(jù)2010年4月22日曼廳大沙壩竣工測量水位觀測表，進(jìn)行了試驗段枯水位驗證。查得當(dāng)日瀾滄江橄欖壩區(qū)對應(yīng)流量790m3/s。模型水位驗證結(jié)果見表1。

表1 模型水位驗證（Q=790m3/s）

[水尺號＼&沿程距離（m）＼&原型水位（m）＼&模型水位（m）＼&水位差（m）＼&S1＼&0＼&522.43＼&522.296＼&0.134＼&S2＼&991＼&522.094＼&522.068＼&0.026＼&S3＼&2013＼&521.437＼&521.414＼&0.023＼&S5＼&2871＼&520.628＼&520.610＼&0.018＼&S7＼&3825＼&519.804＼&519.758＼&0.046＼&S8＼&4358＼&519.353＼&519.344＼&0.009＼&S11＼&5590＼&518.108＼&517.922＼&0.186＼&]

模型中共驗證7支水尺，其中高于0.10m的有2支水尺，總體上呈偏低趨勢，但模型水位與原型水位在容許范圍內(nèi)（圖2）。

[Z（m）][L（m）]

圖2 模型枯水水面線驗證

3.3 實驗流量選擇 試驗流量級的選擇充分考慮到瀾滄江的流量變化過程、試驗河段地形及個流量對河段沖刷程度。試驗流量組合既有電站日常下泄流量，也有河段造床流量及較大洪水流量。具體流量組合見表2。

表2 動床流量組合

[序號＼&流量（m3/s）＼&尾門測針?biāo)唬╩）＼&1＼&498＼&517.11＼&2＼&996＼&517.514＼&3＼&1992＼&518.997＼&4＼&4330＼&526.2＼&5＼&2776＼&520.596＼&]

4 實驗成果分析

4.1 試驗段沖淤變化 模型試驗針對電站清水下泄危害最嚴(yán)重的大沙壩曼廳洲洲頭處的丁壩群（模型中CS70-CS100斷面），進(jìn)行詳細(xì)研究。在流量較低時，水流偏向于曼哈洲，曼廳洲洲頭局部地段河床裸露出來。此時流態(tài)也相對較平緩，河床泥沙沖刷情況比較緩慢，僅顆粒很細(xì)的泥沙才能起動（圖3）。隨著試驗流量的增大，曼廳洲洲頭河段過水面積和流速均增加。河床沖刷越來越劇烈，尤其是T2#、T3#及T4#丁壩壩頭部位沖刷深度顯著增加。

圖3 Q=498m3/s時曼廳洲洲頭流態(tài)

圖4 Q=2490m3/s時曼廳洲洲頭流態(tài)

在模型放水試驗中，通過實測這段河道的流速，可以發(fā)現(xiàn)流速在平灘流量（Q=2 776m3/s）時達(dá)到最大，而最大洪水（Q=4 330m3/s）時由于過水?dāng)嗝婕眲≡黾樱魉俸蜎_刷反而比平灘流量要小。在模型試驗最終結(jié)果中，T2#壩壩頭沖刷深度（新增）最大為3.69m、T3#及T4#壩壩頭沖刷深度分別為1.29m和2.49m。雖然T2#壩壩頭流速較T3#壩壩頭流速要小，但T2#壩為與河道凹岸處，橫斷面環(huán)流作用最強(qiáng)。 （下轉(zhuǎn)145頁）

（上接139頁）4.2 極限沖刷情況 由圖5、6可知，等值線的分布表現(xiàn)出很強(qiáng)的分區(qū)性，丁壩附近處的等值線分布比較密集，壩頭處的等值線分布最為密集，說明在壩頭處水流紊動性比較強(qiáng)，水流變化比較劇烈。丁壩群中，第一個丁壩的沖刷深度最大。

圖5 Q=790m3/s時沖刷坑等值線

圖6 Q=4330m3/s時沖刷坑等值線

清水沖刷隨時間延長會達(dá)到一個基本平衡狀態(tài)，即壩頭局部水流減弱到不能再挾走坑中的泥沙，沖刷坑不再增大的極限平衡狀態(tài)。當(dāng)大量細(xì)顆粒泥沙被帶走后，丁壩的基礎(chǔ)被掏空，壩身很容易垮塌，對通航產(chǎn)生不利的影響。通過觀測可知，在開始階段沖刷坑的深度變化較快，達(dá)到一定深度之后，深度變化減小，最終趨于穩(wěn)定，此時沖刷就達(dá)到了平衡狀態(tài)。沖刷坑的平面總體形態(tài)呈現(xiàn)淚滴形。以最大沖刷寬度為界，前端較尖后端較圓，最大沖刷深度和最大沖刷寬度的縱向位置基本一致。

綜上所述，丁壩壩頭部位沖刷比較嚴(yán)重，對丁壩壩頭基礎(chǔ)的防護(hù)尤為重要，可以采取設(shè)置拋石防沖體、開縫防沖等措施，減小對丁壩壩基部位的沖刷。

5 結(jié)論

本文依托瀾滄江橄欖壩～曼廳大沙壩河段，采用物理模型研究電站清水下泄對下游曼廳大沙壩河段的影響。針對性地模擬了電站不同下泄流量下的沖刷演變過程及成果，得到結(jié)論如下：在開始階段沖刷坑的深度變化較快，達(dá)到一定深度后，深度變化減小，最終趨于穩(wěn)定，此時沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)；最大沖刷深度和最大沖刷寬度的縱向位置基本一致；極限沖刷情況下，T2壩頭處的沖刷坑深度最大。由此可知，對丁壩壩頭的防護(hù)就顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)

[1]錢寧.修建水庫后下游河道重新建立平衡的過程[J].水利學(xué)報，1958（4）.

[2]錢寧.多沙河流修建水庫后下游來沙量的計算[J].水利學(xué)報，1962（4）.

[3]陳明棟，文岑，陳杰.瀾滄江急彎淺灘整治[J].水運(yùn)工程，2003（12）：56-59.

[4]陳明棟，文岑.瀾滄江小橄欖壩灘整治試驗研究[J].泥沙研究，2004（5）：72-76.

[5]張瑞瑾，謝鑒衡.河流泥沙動力學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1989：35-60.

（責(zé)編：張宏民）

表1 模型水位驗證（Q=790m3/s）

[水尺號＼&沿程距離（m）＼&原型水位（m）＼&模型水位（m）＼&水位差（m）＼&S1＼&0＼&522.43＼&522.296＼&0.134＼&S2＼&991＼&522.094＼&522.068＼&0.026＼&S3＼&2013＼&521.437＼&521.414＼&0.023＼&S5＼&2871＼&520.628＼&520.610＼&0.018＼&S7＼&3825＼&519.804＼&519.758＼&0.046＼&S8＼&4358＼&519.353＼&519.344＼&0.009＼&S11＼&5590＼&518.108＼&517.922＼&0.186＼&]

模型中共驗證7支水尺，其中高于0.10m的有2支水尺，總體上呈偏低趨勢，但模型水位與原型水位在容許范圍內(nèi)（圖2）。

[Z（m）][L（m）]

圖2 模型枯水水面線驗證

3.3 實驗流量選擇 試驗流量級的選擇充分考慮到瀾滄江的流量變化過程、試驗河段地形及個流量對河段沖刷程度。試驗流量組合既有電站日常下泄流量，也有河段造床流量及較大洪水流量。具體流量組合見表2。

表2 動床流量組合

[序號＼&流量（m3/s）＼&尾門測針?biāo)唬╩）＼&1＼&498＼&517.11＼&2＼&996＼&517.514＼&3＼&1992＼&518.997＼&4＼&4330＼&526.2＼&5＼&2776＼&520.596＼&]

4 實驗成果分析

4.1 試驗段沖淤變化 模型試驗針對電站清水下泄危害最嚴(yán)重的大沙壩曼廳洲洲頭處的丁壩群（模型中CS70-CS100斷面），進(jìn)行詳細(xì)研究。在流量較低時，水流偏向于曼哈洲，曼廳洲洲頭局部地段河床裸露出來。此時流態(tài)也相對較平緩，河床泥沙沖刷情況比較緩慢，僅顆粒很細(xì)的泥沙才能起動（圖3）。隨著試驗流量的增大，曼廳洲洲頭河段過水面積和流速均增加。河床沖刷越來越劇烈，尤其是T2#、T3#及T4#丁壩壩頭部位沖刷深度顯著增加。

圖3 Q=498m3/s時曼廳洲洲頭流態(tài)

圖4 Q=2490m3/s時曼廳洲洲頭流態(tài)

在模型放水試驗中，通過實測這段河道的流速，可以發(fā)現(xiàn)流速在平灘流量（Q=2 776m3/s）時達(dá)到最大，而最大洪水（Q=4 330m3/s）時由于過水?dāng)嗝婕眲≡黾樱魉俸蜎_刷反而比平灘流量要小。在模型試驗最終結(jié)果中，T2#壩壩頭沖刷深度（新增）最大為3.69m、T3#及T4#壩壩頭沖刷深度分別為1.29m和2.49m。雖然T2#壩壩頭流速較T3#壩壩頭流速要小，但T2#壩為與河道凹岸處，橫斷面環(huán)流作用最強(qiáng)。 （下轉(zhuǎn)145頁）

（上接139頁）4.2 極限沖刷情況 由圖5、6可知，等值線的分布表現(xiàn)出很強(qiáng)的分區(qū)性，丁壩附近處的等值線分布比較密集，壩頭處的等值線分布最為密集，說明在壩頭處水流紊動性比較強(qiáng)，水流變化比較劇烈。丁壩群中，第一個丁壩的沖刷深度最大。

圖5 Q=790m3/s時沖刷坑等值線

圖6 Q=4330m3/s時沖刷坑等值線

清水沖刷隨時間延長會達(dá)到一個基本平衡狀態(tài)，即壩頭局部水流減弱到不能再挾走坑中的泥沙，沖刷坑不再增大的極限平衡狀態(tài)。當(dāng)大量細(xì)顆粒泥沙被帶走后，丁壩的基礎(chǔ)被掏空，壩身很容易垮塌，對通航產(chǎn)生不利的影響。通過觀測可知，在開始階段沖刷坑的深度變化較快，達(dá)到一定深度之后，深度變化減小，最終趨于穩(wěn)定，此時沖刷就達(dá)到了平衡狀態(tài)。沖刷坑的平面總體形態(tài)呈現(xiàn)淚滴形。以最大沖刷寬度為界，前端較尖后端較圓，最大沖刷深度和最大沖刷寬度的縱向位置基本一致。

綜上所述，丁壩壩頭部位沖刷比較嚴(yán)重，對丁壩壩頭基礎(chǔ)的防護(hù)尤為重要，可以采取設(shè)置拋石防沖體、開縫防沖等措施，減小對丁壩壩基部位的沖刷。

5 結(jié)論

本文依托瀾滄江橄欖壩～曼廳大沙壩河段，采用物理模型研究電站清水下泄對下游曼廳大沙壩河段的影響。針對性地模擬了電站不同下泄流量下的沖刷演變過程及成果，得到結(jié)論如下：在開始階段沖刷坑的深度變化較快，達(dá)到一定深度后，深度變化減小，最終趨于穩(wěn)定，此時沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)；最大沖刷深度和最大沖刷寬度的縱向位置基本一致；極限沖刷情況下，T2壩頭處的沖刷坑深度最大。由此可知，對丁壩壩頭的防護(hù)就顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)

[1]錢寧.修建水庫后下游河道重新建立平衡的過程[J].水利學(xué)報，1958（4）.

[2]錢寧.多沙河流修建水庫后下游來沙量的計算[J].水利學(xué)報，1962（4）.

[3]陳明棟，文岑，陳杰.瀾滄江急彎淺灘整治[J].水運(yùn)工程，2003（12）：56-59.

[4]陳明棟，文岑.瀾滄江小橄欖壩灘整治試驗研究[J].泥沙研究，2004（5）：72-76.

[5]張瑞瑾，謝鑒衡.河流泥沙動力學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1989：35-60.

（責(zé)編：張宏民）

表1 模型水位驗證（Q=790m3/s）

[水尺號＼&沿程距離（m）＼&原型水位（m）＼&模型水位（m）＼&水位差（m）＼&S1＼&0＼&522.43＼&522.296＼&0.134＼&S2＼&991＼&522.094＼&522.068＼&0.026＼&S3＼&2013＼&521.437＼&521.414＼&0.023＼&S5＼&2871＼&520.628＼&520.610＼&0.018＼&S7＼&3825＼&519.804＼&519.758＼&0.046＼&S8＼&4358＼&519.353＼&519.344＼&0.009＼&S11＼&5590＼&518.108＼&517.922＼&0.186＼&]

模型中共驗證7支水尺，其中高于0.10m的有2支水尺，總體上呈偏低趨勢，但模型水位與原型水位在容許范圍內(nèi)（圖2）。

[Z（m）][L（m）]

圖2 模型枯水水面線驗證

3.3 實驗流量選擇 試驗流量級的選擇充分考慮到瀾滄江的流量變化過程、試驗河段地形及個流量對河段沖刷程度。試驗流量組合既有電站日常下泄流量，也有河段造床流量及較大洪水流量。具體流量組合見表2。

表2 動床流量組合

[序號＼&流量（m3/s）＼&尾門測針?biāo)唬╩）＼&1＼&498＼&517.11＼&2＼&996＼&517.514＼&3＼&1992＼&518.997＼&4＼&4330＼&526.2＼&5＼&2776＼&520.596＼&]

4 實驗成果分析

4.1 試驗段沖淤變化 模型試驗針對電站清水下泄危害最嚴(yán)重的大沙壩曼廳洲洲頭處的丁壩群（模型中CS70-CS100斷面），進(jìn)行詳細(xì)研究。在流量較低時，水流偏向于曼哈洲，曼廳洲洲頭局部地段河床裸露出來。此時流態(tài)也相對較平緩，河床泥沙沖刷情況比較緩慢，僅顆粒很細(xì)的泥沙才能起動（圖3）。隨著試驗流量的增大，曼廳洲洲頭河段過水面積和流速均增加。河床沖刷越來越劇烈，尤其是T2#、T3#及T4#丁壩壩頭部位沖刷深度顯著增加。

圖3 Q=498m3/s時曼廳洲洲頭流態(tài)

圖4 Q=2490m3/s時曼廳洲洲頭流態(tài)

在模型放水試驗中，通過實測這段河道的流速，可以發(fā)現(xiàn)流速在平灘流量（Q=2 776m3/s）時達(dá)到最大，而最大洪水（Q=4 330m3/s）時由于過水?dāng)嗝婕眲≡黾樱魉俸蜎_刷反而比平灘流量要小。在模型試驗最終結(jié)果中，T2#壩壩頭沖刷深度（新增）最大為3.69m、T3#及T4#壩壩頭沖刷深度分別為1.29m和2.49m。雖然T2#壩壩頭流速較T3#壩壩頭流速要小，但T2#壩為與河道凹岸處，橫斷面環(huán)流作用最強(qiáng)。 （下轉(zhuǎn)145頁）

（上接139頁）4.2 極限沖刷情況 由圖5、6可知，等值線的分布表現(xiàn)出很強(qiáng)的分區(qū)性，丁壩附近處的等值線分布比較密集，壩頭處的等值線分布最為密集，說明在壩頭處水流紊動性比較強(qiáng)，水流變化比較劇烈。丁壩群中，第一個丁壩的沖刷深度最大。

圖5 Q=790m3/s時沖刷坑等值線

圖6 Q=4330m3/s時沖刷坑等值線

清水沖刷隨時間延長會達(dá)到一個基本平衡狀態(tài)，即壩頭局部水流減弱到不能再挾走坑中的泥沙，沖刷坑不再增大的極限平衡狀態(tài)。當(dāng)大量細(xì)顆粒泥沙被帶走后，丁壩的基礎(chǔ)被掏空，壩身很容易垮塌，對通航產(chǎn)生不利的影響。通過觀測可知，在開始階段沖刷坑的深度變化較快，達(dá)到一定深度之后，深度變化減小，最終趨于穩(wěn)定，此時沖刷就達(dá)到了平衡狀態(tài)。沖刷坑的平面總體形態(tài)呈現(xiàn)淚滴形。以最大沖刷寬度為界，前端較尖后端較圓，最大沖刷深度和最大沖刷寬度的縱向位置基本一致。

綜上所述，丁壩壩頭部位沖刷比較嚴(yán)重，對丁壩壩頭基礎(chǔ)的防護(hù)尤為重要，可以采取設(shè)置拋石防沖體、開縫防沖等措施，減小對丁壩壩基部位的沖刷。

5 結(jié)論

本文依托瀾滄江橄欖壩～曼廳大沙壩河段，采用物理模型研究電站清水下泄對下游曼廳大沙壩河段的影響。針對性地模擬了電站不同下泄流量下的沖刷演變過程及成果，得到結(jié)論如下：在開始階段沖刷坑的深度變化較快，達(dá)到一定深度后，深度變化減小，最終趨于穩(wěn)定，此時沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)；最大沖刷深度和最大沖刷寬度的縱向位置基本一致；極限沖刷情況下，T2壩頭處的沖刷坑深度最大。由此可知，對丁壩壩頭的防護(hù)就顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)

[1]錢寧.修建水庫后下游河道重新建立平衡的過程[J].水利學(xué)報，1958（4）.

[2]錢寧.多沙河流修建水庫后下游來沙量的計算[J].水利學(xué)報，1962（4）.

[3]陳明棟，文岑，陳杰.瀾滄江急彎淺灘整治[J].水運(yùn)工程，2003（12）：56-59.

[4]陳明棟，文岑.瀾滄江小橄欖壩灘整治試驗研究[J].泥沙研究，2004（5）：72-76.

[5]張瑞瑾，謝鑒衡.河流泥沙動力學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1989：35-60.

（責(zé)編：張宏民）