貴州大興水利樞紐工程整體水工模型試驗研究

蘇通，李桂青，禹勝穎，呂會嬌

（中水北方勘測設計研究有限責任公司科學技術研究院，天津300222）

貴州大興水利樞紐工程整體水工模型試驗研究

蘇通，李桂青，禹勝穎，呂會嬌

（中水北方勘測設計研究有限責任公司科學技術研究院，天津300222）

通過大興水工模型試驗，對原設計方案的水流流態、流速分布、摻氣情況及下游河道的流速、流態分布進行了試驗研究與分析。通過設置寬尾墩對下游水流起到很好的消能防沖效果，優化了消能設施，驗證了泄水建筑物的過流能力，為設計部門進一步優化樞紐布置提供了科學依據。

流態分布；寬尾墩；消能防沖；過流能力

1　工程概況

大興水利樞紐工程位于貴州省銅仁市碧江區和松桃縣境內，由擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物（供水管道）、3座泵站及發電廠房等組成。工程為銅仁新區和松桃縣正大鄉、大興鎮33.1萬人提供生活用水，為正大鄉和大興鎮680 hm2耕地提供農業灌溉用水，同時為正大農產品加工園區和大興科技工業園區提供工業用水，并補充銅仁新區缺水量。

水庫總庫容4 675萬m3，正常蓄水位514.00m，相應庫容4 283萬m3，校核洪水位515.30m，相應庫容4 675萬m3。工程等別為III等工程，規模為中型。擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高52.00m，壩頂高程517.00m，壩頂全長96.00m，分為左、右岸非溢流壩段和河床溢流壩段。

泄水建筑物采用壩身表孔泄洪。壩身共設3個表孔，布置在河床中部，堰頂高程507.00m，每孔凈寬10m，邊墩及中墩均寬2.5m。主要建筑物設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為500年一遇。消能防沖建筑物設計洪水標準為30年一遇，流量為931m3/s，采用底流消能方式。消力池長67.5m、寬35m、深5.5m，消能坎高1.6m，其后接長15m的海漫和長15m的拋石防護段，海漫段末端采用的拋石粒徑為80 cm。水利樞紐平面布置，如圖1所示。

圖1　水利樞紐平面布置

原拱壩前河床淤泥質土為灰黃色、灰色，軟塑，飽和，不均勻，略有臭味，粉砂含量30%～40%，含少量礫石，底部30 cm為卵礫石，粒徑5 cm左右，呈次磨圓狀。

泄洪工況方面，設計計算的水庫下泄流量30年一遇為931m3/s、50年一遇為1 062m3/s、100年一遇為1 257m3/s、500年一遇為1 454m3/s。

2　模型設計與制作

為滿足試驗內容要求，結合試驗供水條件，選定正態模型，確定幾何比尺為50。模型試驗范圍包括壩軸線上游200m內地形，泄水建筑物，壩軸線下游375m內地形。溢流堰上閘墩、閘門及消力池邊墻等建筑物均采用有機玻璃制作，溢流堰采用水泥沙漿刮制，上、下游地形采用高程控制法定點，用水泥沙漿抹面。根據大興水庫庫區淤積泥沙顆粒曲線資料分析結果，試驗中選取平均球體粒徑為1mm的石英砂作為動床基巖沖料。

3　試驗研究成果分析

3.1泄流能力

通過3孔運行的多組試驗，得出水庫敞泄和控泄下的上游水位與流量關系曲線。

泄流能力根據《混凝土重力壩設計規范》（SL319—2005）附錄A.3公式計算。其計算公式為：

式中：Q為泄流量（m3/s）；C為上游面坡度影響修正系數，當上游面為鉛直面時C取1.0；m為流量系數；ε為側收縮系數；σs為淹沒系數，視泄流的淹沒程度而定；B為溢洪道過水斷面凈寬（m）；Hw為計入行進流速的堰上總水頭（m）；M為包含側收縮系數的綜合流量系數；g為重力加速度（m/s2）。

3.1.1敞泄運行

3孔敞泄試驗上游水位與流量關系曲線，如圖2所示。

圖2　3孔敞泄上游水位與流量關系曲線

從圖2可以看出，庫水位為設計水位（h=514.00m）時，流量Q=1 151.1 m3/s，比計算值1 112 m3/s大3.52%，按式（1）計算的綜合流量系數為0.468；庫水位為校核水位（h=515.30m）時，流量Q=1 513.7m3/s，比計算值1454m3/s大4.11%，按式（1）計算的綜合流量系數為0.477。這說明溢流壩設計規模滿足要求，并有余量。

3.1.2控泄運行

試驗分別觀測了3孔開度同時為e=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m的上游水位與流量關系，其曲線如圖3所示。閘門控泄時的泄流能力關系曲線可供管理部門在閘門運用時參考。

圖3　3孔控泄上游水位與流量關系曲線

3.2原設計方案的下游流態

原設計方案下游交通橋設置在消力坎正上方，經試驗表明，橋墩減小過流面積不利于泄流消能，水流對橋墩有較強的沖擊力，橋面有濺水等也不利于橋結構及行人的安全。基于上述原因，建議將交通橋設置在防沖槽后一定距離處。經驗證，交通橋設置在壩軸線下151m處是合理的。

消力池至下游原拱壩河段河床的淤泥主要為砂礫石，試驗采用細石英砂模擬該處地形。通過試驗發現，該處下游地形沖淤嚴重，臨近左岸部分區域回流明顯，右岸附近河床被淘沖干凈，淤積在左岸，這是由于下游地形左岸有坡右岸直立的緣故。基于上述原因，考慮右岸進場道路路基安全及河床沖刷等問題，建議將消力池出口與下游地形銜接處改進，使右岸及左岸邊墻均向左岸有一個傾斜，以便更平順地與下游地形相接。

3.3設置寬尾墩消能防沖試驗

本次模型試驗設置寬尾墩，在下游原拱壩拆除后堰頂寬4m、高程471.50m情況下對4種工況分別觀測了流速、流態及水面線。其中，工況1：上游來流為931m3/s（30年一遇），3孔全開敞泄；工況2：上游來流為1 062m3/s（50年一遇），3孔全開敞泄；工況3：上游來流為1257m3/s（100年一遇），3孔全開敞泄；工況4：上游來流為1454m3/s（500年一遇），3孔全開敞泄。

寬尾墩消力池聯合消能機理，實質上是由堰頂收縮射流形成的一系列水流內部結構的變化所引起的。寬尾墩三元水躍較之常規的二元強迫（或自由）水躍和三元水躍在水流內部產生了更為劇烈的紊動剪切和混摻作用，形成常規平尾墩消力池所不可能有的附加消能。

3.3.1設置寬尾墩+池長67.5m方案的下游流態

當下泄流量為30年一遇洪水時，與未設置寬尾墩情況相比，設置寬尾墩后水流在墩尾處變窄增高，在空中對撞后入消力池劇烈翻滾，水躍明顯提前，由于下游水位抬高，出池水流幾乎沒有紊動，在海漫處與下游水流很好地銜接，消能效果較好。當來流為50年一遇洪水時，隨著流量的加大，消力池內水流翻滾更加劇烈，出池水流略有紊動，在海漫后與下游水流較好銜接。當來流為100年一遇洪水時，水流過溢流堰空中對沖后急速跌入消力池內，池內水面摻氣明顯，出池水流有紊動，下游地形出現沖淤。當來流為500年一遇洪水時，水流過溢流堰空中對沖后急速砸向堰末端，池內水流紊動劇烈，水面摻氣明顯，出池水流紊動摻氣，下游沖刷嚴重。加寬尾墩后兩邊孔水流有明顯的外濺，為了更好地提高下游的消能效果，對建筑物作了如下優化修改：

（1）將兩邊孔寬尾墩角度調小5°，可較好地防止水流外濺。

（2）由于水躍提前，消力池前段邊墻處水流有溢出現象，建議加高消力池邊墻。經試驗測量，建議消力池邊墻高度不得低于481.20m。

（3）針對下游河床沖刷問題，對出池左岸邊墻與下游地形銜接處改進，即將防沖槽對應左岸邊墻向左傾斜5°左右，也就是該處邊墻傾斜至與下游交通橋最左側橋墩相接的位置。經試驗驗證，在該下游銜接情況下，水流對下游河床的沖淤明顯減少，回流相應減少，建議在施工及現場條件允許的情況下，可適當加長傾斜長度，盡可能與下游左岸地形有較好的銜接。

（4）針對下游原拱壩拆除后堰頂寬為4m和高程分別為470、471、471.50m 3種方案進行了對比試驗，結果表明將下游拱壩抬高至471.50m有更好的消能效果。基于上述原因，建議下游原拱壩拆除后堰頂寬為4m、高程為471.50m。

3.3.2設置寬尾墩+池長60m方案的下游流態

與池長未折減情況相比，當下泄流量為30年一遇洪水時，池長折減后消力池內水流翻滾更劇烈，消力坎上水面增高，出池水流在海漫處與下游水流較好地銜接，消能效果較好，下游右岸河床淘刷不嚴重，左岸少有淤積。當來流為50年一遇洪水時，隨著流量加大，消力池內水流翻滾更加劇烈，出池水流略有紊動，在海漫后與下游水流較好銜接，下游右岸河床淘刷加重，左岸河床淤積。當來流為100年一遇洪水時，水流過溢流堰空中對沖后急速跌入消力池內，池內水面摻氣明顯，出池水流有紊動，下游地形出現明顯沖於。當來流為500年一遇洪水時，水流過溢流堰空中對沖后急速砸向堰末端，池內水流紊動劇烈，水面摻氣明顯，出池水流紊動摻氣，下游沖刷嚴重，右岸淤泥質河床幾乎被淘刷干凈，左岸河床淤積嚴重。

3.4泄水建筑物合理運用方式

泄水建筑物閘門運用應遵循“對稱、間隔、均勻、同步”的原則，盡量使下泄水流消能充分，減少對消力池及下游河道的沖刷破壞。為此，建議在小流量情況下單孔開啟中孔，兩孔同時運行時開啟兩邊孔。

4　結語

通過對大興水利樞紐進行水工泥沙模型試驗，得出以下結論：

（1）溢流堰的泄流能力滿足要求，水庫在正常蓄水位514.00m情況下，3孔總泄量為1151.1m3/s，比計算值1112m3/s大3.52%；水庫在校核水位515.30m情況下，3孔總泄量為1513.7m3/s，比計算值1454m3/s大4.11%。

（2）增加寬尾墩后兩邊孔水流有明顯的外濺，試驗證明將兩邊孔內側寬尾墩角度調小5°可有效防止水流外濺。

（3）試驗表明將交通橋設置在壩軸線下151m處比較合理。

（4）加寬尾墩、消力池池長折減后水面壅高導致時有水流濺出邊墻現象，建議將消力池邊墻加高，消力池邊墻高度最好不低于481.20m。

（5）消力池下游原拱壩拆除后堰頂寬為4m、高程為471.50m時能使出池水流與下游水流比較平順地銜接，消能效果較好。

（6）加寬尾墩后，消力池池長為60m時可以滿足消能要求。從工程投資和消能效果多方面因素考慮，建議采用加寬尾墩+池長為60m方案。

TV32+2

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1004-7328（2016）05-0060-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.020

2016—05—20

蘇通（1991—），男，助理工程師，主要從事水工、泥沙模型試驗與研究工作。