安徽省牛嶺水庫工程河勢影響模型試驗(yàn)研究

宋先福

（安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測站有限公司，安徽 蚌埠 233000）

牛嶺水庫地處安徽省宣城市涇縣境內(nèi)，位于青弋江上游最大的支流徽水河中游，距涇縣縣城23km，是一座以防洪為主，結(jié)合供水，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用的水利樞紐工程。牛嶺水庫總庫容1.63 億m3，屬大（2）型水庫，工程等別為Ⅱ等。水庫死水位95m，汛限水位114.5m，正常蓄水位117m，5 年一遇洪水位116.1m，20 年一遇洪水位117.5m，防洪高水位120.5m，50 年一遇洪水位120.7m，100 年一遇設(shè)計(jì)洪水位121.0m，1000 年一遇校核洪水位122.6m。

1 試驗(yàn)運(yùn)行條件及模型設(shè)計(jì)

通過對不同洪水組成的典型年進(jìn)行洪水調(diào)算，本次滿足50 年一遇標(biāo)準(zhǔn)的洪水不超過涇縣城區(qū)防洪控制斷面安全泄量4710m3/s 的要求確定的牛嶺水庫防洪調(diào)度方式為：

（1）以涇縣控制斷面洪峰流量3000m3/s 為水庫起蓄條件。涇縣控制斷面洪峰流量大于3000m3/s 時(shí)，牛嶺水庫相應(yīng)控制最大泄量1300m3/s，采用補(bǔ)償湊泄方式運(yùn)行，以涇縣斷面洪峰流量不超過4710m3/s 控制。

（2）當(dāng)陳村水庫下泄流量大于2600m3/s 時(shí)，控制牛嶺水庫最大下泄流量1000m3/s。

（3）漲水階段（連續(xù)3h 水位上漲），涇縣控制斷面洪峰流量大于4300m3/s 時(shí)，陳村水庫下泄小于3000m3/s 時(shí)牛嶺水庫控制泄流小于300m3/s；陳村水庫下泄大于3000m3/s 時(shí)牛嶺水庫控制不泄流。

（4）退水階段（連續(xù)3h 水位下降），當(dāng)陳村水庫下泄流量大于3500m3/s 時(shí)，牛嶺水庫控制不泄流；陳村水庫下泄流量大于3000m3/s 時(shí)，牛嶺水庫控制最大下泄流量500m3/s；陳村水庫下泄流量大于2600m3/s 時(shí)，牛嶺水庫控制最大下泄流量1000m3/s。

根據(jù)安徽省牛嶺水庫工程河勢影響模型試驗(yàn)任務(wù)書的試驗(yàn)內(nèi)容和要求，為保證模型進(jìn)、出流邊界相似，根據(jù)試驗(yàn)要求和《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155-2012），結(jié)合現(xiàn)有場地和供水條件，選定牛嶺水庫模型范圍為：樞紐上游模擬至壩址上游彎道以上約0.40km，樞紐下游模擬至壩址以下約0.40km；橫向庫區(qū)模擬至高程130.00m，下游河道模擬至高程90.00m。總模擬河道長度約2.10km。

2 設(shè)計(jì)方案

（1）牛嶺水庫樞紐除校核洪水外，其余工況均為控泄。校核洪水時(shí)，控制流量為4341.80m3/s，實(shí)測庫水位為122.54m，低于設(shè)計(jì)值122.60m。牛嶺水庫樞紐泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）泄洪表孔底部堰頂后拋物線段（樁號0-3.55）最大負(fù)壓值為校核洪水時(shí)的-1.20m 水柱，出口處（樁號0+35.46）最大負(fù)壓值為設(shè)計(jì)洪水時(shí)的-1.50m水柱；左右側(cè)墻壓力基本對稱，最大負(fù)壓值出現(xiàn)于出口處（樁號0+36.86），校核洪水時(shí)達(dá)-0.96m 水柱。泄洪表孔體型設(shè)計(jì)基本合理。

（3）泄洪中孔頂部、側(cè)墻及底部在各工況下沿程均為正壓，泄洪中孔體型設(shè)計(jì)基本合理。

（4）表孔、中孔均運(yùn)用時(shí)，各工況下挑流水舌布滿整個河床，挑流消能效果良好。

（5）表孔、中孔均運(yùn)用時(shí)，表孔、中孔挑流挑距基本一致，設(shè)計(jì)洪水中孔敞泄時(shí)，水舌挑距為51.30m；沖坑最深點(diǎn)高程為56.80m，距挑流鼻坎63.14m；沖坑后坡為1∶4.78；表孔敞泄時(shí)，水舌挑距為55.16m；沖坑最深點(diǎn)高程為58.43m，距挑流鼻坎66.93m；沖坑后坡為1∶5.78。

校核洪水時(shí)，水舌挑距為70.73m；沖坑最深點(diǎn)高程為55.20m，距挑流鼻坎78.03m；沖坑后坡為1∶5.27。

（6）各工況下，庫內(nèi)流態(tài)良好，泄洪建筑物進(jìn)流基本平順，壩前右側(cè)山坳在流量為50 年一遇及以上時(shí)，有一旋渦，最大流速為0.53m/s，除此外，無明顯不良流態(tài)。

（7）下游0+300 斷面及以上左右岸流速較大，設(shè)計(jì)洪水時(shí)最大流速為4.99m/s，校核洪水時(shí)最大流速為5.87m/s。應(yīng)加強(qiáng)壩址至烏溪河口范圍內(nèi)左右側(cè)岸坡的防沖措施。

（8）下游0+900～0+1350 右岸各工況下均有一回流區(qū)，回流流速隨水庫下泄流量的增大而增大，設(shè)計(jì)洪水時(shí)最大流速約為1.55m/s，校核洪水時(shí)最大流速為2.11m/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對50 年一遇洪水進(jìn)行試驗(yàn)測試，試驗(yàn)主要參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 50 年一遇洪水試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 水位流量關(guān)系

試驗(yàn)對表孔和中孔分別進(jìn)行了敞泄時(shí)各水位下的水位流量關(guān)系試驗(yàn)，見表2。

表2 牛嶺水庫表孔、中孔敞泄水位流量關(guān)系表

4 水利特性修正

4.1 方案概述

安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院于2019 年10 月29日提供了牛嶺水庫樞紐的最終方案結(jié)構(gòu)圖紙。相較于原設(shè)計(jì)方案，最終方案的2 個表孔（兩邊孔）堰頂高程保持114.5m 不變，2 個表孔（中間兩孔）的堰頂高程降低1.5m 至113.0m，孔寬均由12.0m 增至13.0m。中孔體型保持不變。樞紐溢流壩段總寬由88.0m 增至89.0m。樞紐校核洪水位由122.6m 降至121.98m。

因原物理模型已拆除，故根據(jù)設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對最終方案水力特性進(jìn)行修正。

4.2 泄量修正

根據(jù)設(shè)計(jì)方案各水位下表孔的流量系數(shù)，可計(jì)算出最終方案表孔、中孔敞泄時(shí)的水位流量關(guān)系見表3。

表3 牛嶺水庫最終方案表孔、中孔敞泄水位流量關(guān)系表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，校核洪水庫水位為121.98m 時(shí)，樞紐下泄流量為4625.56m3/s。因最終方案表孔較設(shè)計(jì)方案表孔寬1.0m，且中間兩表孔的水頭也更大，流量系數(shù)應(yīng)略大于設(shè)計(jì)方案，故最終方案校核洪水時(shí)泄量應(yīng)大于4625.56m3/s。

4.3 下游沖刷修正

最終方案較設(shè)計(jì)方案的2 個表孔（邊孔）堰頂高程保持114.5m 不變，2 個表孔（中間兩孔）的堰頂高程降低1.5m 至113.0m，孔寬均增至13.0m。樞紐溢流壩段總寬由88.0m 增至89.0m。因溢流壩段總寬較設(shè)計(jì)方案略寬，且除校核洪水外，各工況均為控泄，流量與水頭均與設(shè)計(jì)方案保持一致，單寬流量略變小，故各工況下游沖坑最深點(diǎn)應(yīng)略低于設(shè)計(jì)方案。

50 年一遇洪水時(shí)，樞紐下泄流量為2910.00m3/s，庫水位為120.70m，表孔控泄、中孔敞泄工況時(shí)，表孔開度為2.78m；表孔敞泄、中孔控泄工況時(shí)，中孔開度為2.68m。下游沖刷情況與設(shè)計(jì)方案基本一致。

設(shè)計(jì)洪水時(shí)，樞紐下泄流量為3411.00m3/s，庫水位為121.00m，表孔控泄、中孔敞泄工況時(shí)，表孔開度為4.36m；表孔敞泄、中孔控泄工況時(shí)，中孔開度為3.79m。下游沖刷情況與設(shè)計(jì)方案基本一致。

校核洪水時(shí)，庫水位為121.98m，低于設(shè)計(jì)方案的校核洪水位122.60m，但總泄量由4341.8m3/s 增至4625.56m3/s。沖坑最深點(diǎn)高程為53.03m，距挑流鼻坎80.10m；沖坑后坡為1∶4.22 ■