水電站導流明渠設置型式優化模型試驗研究

肖先優

(福建創世建設有限公司，福建 大田 366100)

1 工程概況

青山水庫是一座以防洪和供水為主的綜合性水利工程，主要由大壩、溢洪道、輸水洞和碼頭構成[1]。水庫大壩為黏土心墻砂礫石壩，總長735.63 m，壩頂高程96.92 m，最大壩高42.79 m。在水庫工程建設過程中，綜合考慮施工現場的布置需求和工程成本，采用明渠導流。導流建筑物主要由導流明渠、上下游圍堰以及右側導墻等部分構成。其中導流明渠為直接開挖，渠底寬52 m，高程84.0 m，與上游圍堰的夾角為61°；上游圍堰堰頂高程為109.0 m，軸線長247 m；下游圍堰堰頂高程236.0 m，軸線長257 m。右側導墻為混凝土縱向導墻設計，由上游段、右導墻壩段以及下游延伸段三部分組成。研究以水庫導流明渠為例，利用模型試驗的方式對進口設置型式進行優化。

2 模型試驗設計

2.1 模型制作

根據此次模型試驗的目的和基本要求，模擬范圍涵蓋了大壩壩軸線以上550 m和以下650 m的河段，并按照1∶10的比例進行模型的布置，模型的全長為11 m，寬2 m，模型的輔助部分主要由供水系統、沉沙池、退水系統組成[2]。

模型的邊墻利用磚混結構制作，為了模擬天然工況的糙率，模型中導流明渠、庫區以及上游河道的河床部分均按照地質調查的數據資料制作成定床，并利用水泥砂漿抹面[3]。下游河道主要模擬主河道，河床部分為動床設計，需要鋪填模型砂。根據施工單位提供的資料，導流明渠基巖的抗沖刷流速為5.4 m/s，下游覆蓋層的抗沖刷流速為2.0 m/s，按照茲巴斯公式計算模型砂的參數，相應模型砂的粒徑為1.6～3.2 mm[4]。按照上述要求篩選散沙粒作為研究使用的模型砂。

2.2 試驗儀器

南京水利科學研究院生產的旋槳式光電流速儀，主要用于試驗中的流速測試；各種工況下的水深和沖淤地形參數利用鋼板尺進行測量[5]；各種工況下導流明渠內的水面線測量利用水準儀；將矩形量水堰安裝在模型的進水口，以控制上游的來流量[6]。

3 試驗結果與分析

3.1 原設計方案試驗結果

試驗研究中根據設計要求，通過控制壩下0+650斷面水位的方式，對壩上0+340斷面的水流流量關系進行試驗研究，根據試驗數據，經過換算，獲得如表1所示的水位流量關系。由表可知，上下游圍堰的高程可以滿足導流明渠施工期的最大洪水導流需求，但是右側導墻局部高度不足，需要加高至107 m，方可滿足導流需求。

表1 不同流量條件下的庫水位

從試驗過程中的水流流態來看，上游的圍堰前以及下游圍堰后均形成比較明顯的回流區，并且上游回流區的面積和強度會隨著泄流量的增大而增大，下游回流區的范圍和強度受泄流量變化的影響相對較小，特別是回流區的范圍相對比較固定。從水面線的試驗結果來看，圍堰上游河道的水面比較平穩，比降較小，進入明渠之后產生明顯的跌落現象，且跌落值隨著下瀉流量的增加而增大，同時水面的波動性也顯著增強。在大泄流量條件下，上下游圍堰和明渠內的流速值較大，最大流速為6.8 m/s，且大多數斷面的流速值均超過抗沖流速，會引起河床的嚴重沖刷，進而威脅建筑物穩定。特別是在3000 m3/s的流量條件下，在右導墻的墩頭部位會產生較大的沖刷坑，有必要對圍堰或導墻進行體型優化。

3.2 體型修改方案

導流明渠的原設計模型試驗結果顯示，導流明渠的進口部位存在比較明顯的流態紊亂現象，且導墻墩頭部位存在比較明顯的繞流現象，致使墩頭前產生了較大的沖坑，同時明渠內存在面積和強度較大的回流，影響到過流能力。針對上述問題，采取如下的優化思路：一是改善導流明渠的進口水流流態，盡量減輕導墻墩頭部位的繞流[7]；二是盡量使易沖刷的部位遠離水工建筑物，減小沖坑的深度。基于上述思路，提出如下修改方案：

修改方案1：將導流明渠上游圍堰由曲線型改為直線型，使上游坡腳和導墻的坡腳對齊，圍堰斷面幾何尺寸保持不變。

修改方案2：將導流明渠上游圍堰由曲線型改為直線型，然后對導流明渠的圍巖和導墻的連接部位加強防護，其具體措施為用拋石體和混凝土加固墩頭部位的圍堰坡面和基礎。

修改方案3：上游圍堰仍采用曲線形式，右側導墻的墩頭改為臺階形式設計。

修改方案4：將導流明渠上游圍堰由曲線型改為直線型，右側導墻向上游延伸部位的長度減小10 m，并將其迎水面坡度改為1∶1.5，然后對上游圍堰坡面進行拋石體防護。

修改方案5：在修改方案4的基礎上，對圍堰堰面容易沖刷的部位采用鋼筋籠防護，在坡腳的河床面采用粒徑1.0 m的沖刷料防護，防護寬度為10 m，防護范圍在墩頭附近部位。

3.3 修改方案試驗結果與分析

鑒于沖刷破壞是原設計方案存在的主要問題，研究中在3000 m3/s的流量下對上述5種修改方案進行試驗，根據試驗結果，獲得各個方案的沖刷和淤積試驗數據，結果如表2所示。從試驗結果來看，各方案的沖刷坑主要位于墩頭和導墻右側部位。顯然，導墻墩頭和導墻右側的沖刷坑對導墻和墩頭的穩定性不利。因此修改方案2和修改方案5比較合適。同時，修改方案1、修改方案4和修改方案5的沖刷坑深度大致相同，但是修改方案1的圍堰容易遭受破壞，而修改方案4的防護施工困難較大。綜合上述分析，修改方案5為最佳方案。

表2 修改方案試驗結果

4 推薦方案的試驗研究

為了進一步驗證推薦方案的合理性，對500 m3/s、1000 m3/s、2000 m3/s和3000 m3/s4種不同下瀉流量下的流態、水面線、流速等水力學參數進行試驗。

試驗結果顯示，不同下瀉流量下推薦方案水流流態與原設計方案相似，但是導墻墩頭部位的繞流范圍和強度明顯減小，水流流態較原設計方案明顯平穩。在上游圍堰的堰前和下游圍堰的堰后均存在回流區，但是回流區的范圍和強度也較原方案有所減小。由此可見，推薦方案對導流明渠的流態改善具有一定的作用。

對不同下瀉流量的水面線進行測試，結果顯示，導流明渠內的水面變化總體比較平穩，明渠內不存在明顯的水面跌落現象，兩岸水位也比較接近。從導流明渠內靠近右側導墻部位的水位變化來看，在最大下瀉流量條件下的水位較原設計方案降低1.3 m左右，因此并不需要加高該部位導墻頂的高程。

試驗中對導流明渠內的流速進行詳細統計分析，其兩岸的流速分布試驗結果如表3所示。由表中的結果可以看出，導流明渠左岸的流速均低于3.5 m/s，右側的流速值相對較大，但均低于4.2 m/s，僅在出口的部位流速相對較大，其左岸最大值為4.1 m/s，右側最大值為5.1 m/s。由此可見，相對于原設計方案，靠近導墻部位的流速值得到了明顯的控制，已經處于基巖抗沖刷的范圍之內。

表3 導流明渠兩側流速試驗結果

5 結 語

此次研究利用室內試驗的方式，對青山水庫導流明渠的體型優化問題展開研究。根據原設計方案試驗中暴露的問題，結合工程現場的實際情況，提出了5種不同的修改方案，經過試驗比選，最終確定修改方案5為推薦方案，并在不同流量條件下對推薦方案進行驗證。在導流明渠施工完畢次年，經歷了2010 m3/s下瀉流量檢驗，各種水力學參數與模型試驗結果基本吻合，工程的運行情況良好。