汾河二庫大壩泄水建筑物消能及下游河道沖刷問題研究

王秋鵬

（山西省汾河二庫管理局，山西 太原 030012）

1 大壩泄洪建筑物概述

汾河二庫樞紐大壩泄洪任務(wù)由泄洪底孔、溢流表孔和供水發(fā)電隧洞共同承擔(dān)，其中溢流表孔壩段布置于河床中部，共3孔，泄流底孔對稱布置于溢流表孔兩側(cè)，每側(cè)各布置2孔。

泄流底孔長68.25m，進(jìn)口段長7.465m，底高程859.0m，為5.8m×7.2m的矩形斷面，設(shè)平板事故檢修門；壓力洞段長28m，斷面尺寸為5.8m×7.2m；出口收縮段長7.2m，孔口尺寸為5.8m×6m，出口設(shè)弧形工作閘門控制；門后為9.4m平流段接擴(kuò)散挑流鼻坎消能工，擴(kuò)散段長16.2m，側(cè)墻以1∶9向下游擴(kuò)散，反弧段長13.7m，反弧半徑28.0m，挑射角27°，鼻坎高程862.05m。

溢流表孔壩段每孔凈寬12m，為開敞式溢流堰，堰頂高程902.0m，堰面曲線采用冪曲線，公式為y=0.099xl.85，堰面曲線與坡比為1∶0.75的斜直溢流面相切。斜直線段下接反弧段，反弧段圓心角為53.13°，反弧段最低點高程為866.29m，反弧半徑15.0m，挑角25°。挑流鼻坎為連續(xù)式，挑坎高程為861.7m。溢流堰面曲線的原點上游堰面由1/4橢圓曲線組成，橢圓曲線與豎直線壩面切點的高程為900.88m。自高程857.7m以下，壩上游面坡比為1∶0.2。

汾河二庫總庫容1.33億m3，設(shè)計洪水重現(xiàn)期為100年一遇，校核洪水重現(xiàn)期為1000年一遇。正常高水位905.7m，相應(yīng)下游水位855.7m（地下水位），汛限水位905.7m；設(shè)計洪水位907.32m，相應(yīng)下游水位859.8m，相應(yīng)下泄流量3450m3/s；校核洪水位909.92m；相應(yīng)下游水位861.15m，相應(yīng)下泄流量5168m3/s。從利于排沙和便于運行操作角度考慮，水庫遭遇100年一遇和小于100年一遇洪水時由泄流底孔泄洪，大于100年一遇洪水時，由泄流底孔、溢流表孔和供水發(fā)電隧洞共同泄洪。

2 基本資料

河道模型按照山西省水利設(shè)計院1995年實測地形圖進(jìn)行制作。

河道模型巖石與土或砂卵石分界線由山西省水利設(shè)計院地質(zhì)勘察隊提供，兩岸除電站平臺按防洪堤進(jìn)行模擬外，其余按直立巖石坡度考慮。河床砂卵石覆蓋層平均厚度按26m考慮，大壩處基巖高程平均按830m考慮，基巖邊界按定床、砂卵層按動床試驗。兩岸建筑物均按設(shè)計要求進(jìn)行模擬。

河床覆蓋層模擬是依據(jù)壩基探坑顆分資料，采用天然砂作為模型砂，按照級配曲線進(jìn)行選配。由于小顆泥沙在沖刷過程中對河道沖淤變化影響較小，故模型砂中大于0.1mm的部分嚴(yán)格按級配曲線控制，約占70%以上，小于0.1mm的部分占總量30%。

根據(jù)調(diào)洪演算下泄流量過程，泄水過程概化為5個流量等級、7個流量時段進(jìn)行模擬。

3 分級泄洪消能及下游河道沖刷模擬

3.1 大壩下游河道流態(tài)及流速分布

當(dāng)下泄流量為440m3/s時，局部開啟一底孔閘門，雖然沖刷區(qū)回流有一定范圍，也不對稱，但不會對工程有危害，主流沿原河槽流動。

當(dāng)下泄流量為877m3/s時，如開啟右側(cè)一孔后，沖刷區(qū)明顯不對稱，左側(cè)為較大回流區(qū)，回流可至左岸，達(dá)壩腳，但強(qiáng)度很弱，不會造成危害。電站防洪堤首部水流比較平穩(wěn)，僅達(dá)4.5m3/s，沖刷不嚴(yán)重，河流維持原河道流勢。

大壩泄流為較小流量時，除水舌入水處及其附近流速高、沖淤變化大外，其余地段流速均較小。當(dāng)下泄流量為1740m3/s時，如左右側(cè)各開一孔閘門，壩后沖刷區(qū)水流對稱，流態(tài)比較平穩(wěn)，水舌入水處左側(cè)雖受地形影響，逆時針回流較大，但回至水舌入水處即基本結(jié)束，危害不大，對壩腳沒有影響。電站防洪堤首部水流在橫斷面上分布比較均勻，斷面流速分布、水深等均比較接近。受彎道水流的影響，凹岸形成沖刷，凸岸形成淤積。

各處流速一般均小于巖石抗沖流速，電站防洪堤首部流速最大僅5.3m/s，沖刷不嚴(yán)重。該流量介于10～20年一遇洪水之間，時段比較長，河床基本達(dá)到?jīng)_淤平衡。

當(dāng)下泄流量為3579m3/s時，（庫水位907.32m，為水庫100年一遇泄量），大壩4個底孔同時泄洪，壩后沖刷區(qū)流態(tài)基本對稱。壩腳處流速很小，下游左側(cè)150m處因地勢開闊，有逆時針回流，但回流范圍不大，流至水舌入水處而匯入主流，對壩腳無影響。沖刷區(qū)兩岸陡崖處流速基本小于巖石的抗沖流速，只有個別點流速接近6m，壩腳水位接近挑坎高程。彎道以后的水流比較穩(wěn)定。

當(dāng)下泄流量為5168m3/s時（庫水位909.92m，為水庫1000年一遇泄量），因流量大，河道水位上升高，壩后沖刷區(qū)、水舌前沿寬度占河道寬度的80%以上。加之河道水深大，岸邊流速均較小，水流比較穩(wěn)定，壩腳部位比較安全。

3.2 大壩下游河道沖淤變化

大壩修筑以后改變了原河床水力條件。大壩泄洪時，無論泄量大小都會引起河道在一段距離內(nèi)的沖淤變化。各級流量河道沖淤情況如下：

當(dāng)一孔泄洪時（如右邊孔開啟，泄洪流量為877m3/s），除水舌入水區(qū)右岸陡崖接觸沖刷局部高程可達(dá)840m外，其余部位均無嚴(yán)重沖刷，壩腳床面高程為850m以上。下游河床沿兩岸凹岸為主流沖刷區(qū)，最大沖深達(dá)840m，但對大壩沒有影響。

當(dāng)兩孔開啟時（庫水位905.7m，泄洪流量為1754m3/s），左右側(cè)各開一孔，壩后沖刷坑區(qū)的沖淤變化基本對稱，大壩下游約100m處沖坑較深，最深點高程839.17m。壩腳處床面高程在850m以上，沖坑對大壩安全無影響。下泄該流量對下游建筑不會造成破壞。

當(dāng)泄洪流量達(dá)100年一遇流量時，4個底孔全部泄洪，由于水流對稱，回流不大，壩腳沖刷不大，河床高程850m以上，沖刷區(qū)沿兩岸的接觸沖刷最深點高程可達(dá)840m，對大壩安全無影響。大壩下游其他建筑物，除局部地段受淤積危害外，不存在沖刷危害。對建筑安全不會造成威脅。

當(dāng)泄洪流量達(dá)1000年一遇校核流量時（流量為5168m3/s，庫水位909.92m），因河道流量分布均勻，流速較小，壩腳河床高程仍在850m以上，左岸852m，右岸855m。由于受地形影響，左岸回流較大，強(qiáng)度較高，在大壩下游約120m處，沖坑最深點達(dá)833.08m。對大壩安全無影響。大壩下游建筑物沖、淤危害基本與100年一遇情況相同。

綜上所述，大壩按分級泄流時，泄洪沖坑深度未達(dá)壩腳基巖，泄洪沖刷不會對大壩及下游其他建筑構(gòu)成安全威脅。電站尾水渠出口淤積危害可用人工方法清除解決。

4 連續(xù)泄洪消能及下游河道沖刷

為了解洪水在連續(xù)過程中河道的流態(tài)變化，主要部位的水位、流速及沖淤變化，以便與分階段試驗資料進(jìn)行比較，故對100年一遇洪水過程按流量分級進(jìn)行連續(xù)泄洪試驗，進(jìn)行各級流量的流態(tài)觀測及測量各主要部位的流速、水位及相應(yīng)水深。流量分級及時段控制與分段試驗相同，漲水時增加440m3/s一級，落水時增加877m3/s一級。

由各級流量的流態(tài)觀測可知，當(dāng)泄洪流量較小時，除壩后挑流沖刷區(qū)受底孔開啟運行的方式影響略有不同外，其余部位連續(xù)泄洪與分段放水總的流態(tài)完全相同，主流線基本不變，都受彎道節(jié)點控制，沖刷區(qū)與淤積區(qū)基本不變，高程也基本相同。

各級流量的流速分布、大小及方向在連續(xù)放水與分級放水中基本相近，各級流量主要部位的流速值一般均小于6m/s。

由于行洪過程中難以看清河床的沖淤變化，只能根據(jù)感覺測其水深及相應(yīng)水位來推算河床的沖淤變化。從實測資料分析，各級流量河床的沖淤變化規(guī)律與分階段試驗的結(jié)果一致。

5 結(jié)論及建議

第一，根據(jù)各主要斷面的水位與流量關(guān)系以及河道沿程水面線分析，沖刷區(qū)末端的水位要高于壩腳水位。校核洪水位情況下，壩腳水位略高于挑坎頂高程外，其余各級流量下均低于挑坎高程，故挑坎高程基本合適。校核洪水位下，由于壩腳水位高于挑坎高程，故挑射水舌有些顫動，且水舌有通氣不足現(xiàn)象，但因時間很短對大壩不會有太大危害。

第二，從各級流量條件下河床沖淤變化看，無論流量大小壩腳處均不會有嚴(yán)重沖刷，壩腳處河床高程均在850m以上。由于壩腳無大的回流，挑坎以下的壩面磨損破壞基本不存在。

第三，對小于設(shè)計洪水以下的流量，其壩后沖刷區(qū)的流態(tài)及河床沖淤變化與底孔開啟運行方式有直接關(guān)系。因此，當(dāng)泄洪流量超過一孔泄量后，盡量考慮兩側(cè)底孔對稱開啟運行，以保持河道水流對稱，盡量減少回流。當(dāng)出現(xiàn)低水位沖沙運行時，要求底孔對稱開啟運行，由于低水位運行，盡管流量小，但水舌挑距很近，甚至成跌流狀態(tài)，其沖坑深度可達(dá)836m，且靠近壩腳，若回流不對稱會對壩腳產(chǎn)生不良影響。