麥日水電站引水樞紐下游防沖試驗研究

王正輝，鄭宏雅，周新民，張宗孝

（1.西安理工大學，陜西西安 710048；2.彬縣紅巖河水庫工程建設(shè)指揮部，陜西彬縣 713500；3.漢中黃河中型水電開發(fā)有限責任公司，陜西西安 710061）

1 工程概況

麥日水電站工程地處甘孜州稻城縣與涼山州木里縣交界處，工程主體部分位于木里縣境內(nèi)水洛河干流上，為水洛河干流梯級規(guī)劃中第4個梯級電站。麥日水電站為引水式，泄水建筑為4孔平底閘，水庫正常蓄水位2668.00 m，死水位2665.00 m；電站設(shè)計水頭120 m，額定引用流量92.43 m3/s；電站裝機3臺，單機容量33 MW，總裝機容量99 MW。首部樞紐由擋、泄水建筑物和取水建筑物組成。防洪標準按50年一遇洪水設(shè)計，消能防沖按30年一遇洪水設(shè)計。閘頂高程2670.00 m，壩頂全長為202.50 m，擋水建筑物沿壩軸線從左至右依次為左岸非溢流混凝土心墻砂卵石壩、3孔泄洪閘、1孔沖沙閘及右岸非溢流混凝土重力壩。右岸非溢流壩的上游側(cè)布置取水建筑物。首部樞紐布置如圖1所示[1]。

2 模型制作

根據(jù)模型試驗任務(wù)要求，模型按重力相似準則設(shè)計[2]，選用幾何比尺為1∶50，上游為定床，下游河床做成局部動床模型。為了觀測沖刷坑的深度、范圍，泄洪建筑物下游從海漫末端（壩軸0+127.00）下游約200 m的范圍做成局部動床。動床深度約為15 m，最低點高程約為2634.0 m。動床的沖刷料粒徑用經(jīng)驗公式確定，根據(jù)覆蓋層的抗沖流速約為2.0 m/s，本著沖刷結(jié)果按偏于安全考慮，沖刷料不模擬河床強風化巖，統(tǒng)一按覆蓋層沖刷料考慮，覆蓋層粒徑為1.6~3.2 mm，中值粒徑約為2.2 mm。

圖1 首部樞紐布置示意圖Fig.1 General layout of the hub

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 閘壩泄流能力

當閘門全開時，泄洪沖沙閘試驗率定流量較設(shè)計計算值偏大。究其原因，是由于閘前水流的行進流速較大，而在設(shè)計階段未考慮其影響的緣故[2]。設(shè)計水位2658.59 m時，試驗實測流量為1017 m3/s，較設(shè)計計算值843 m3/s大20.7%；校核水位2660.32 m時，試驗實測流量為1398 m3/s，較設(shè)計計算值1170 m3/s大19.5%。

實測沖沙閘關(guān)閉，泄洪閘三孔全開，庫水位在2655.3～2660.1 m之間變化時，泄洪閘為堰流，流量系數(shù)在0.383～0.387之間變化，且大于寬頂堰最大的流量系數(shù)0.385，原因是計算時未考慮行進速度水頭。

實測泄洪閘關(guān)閉，沖沙閘全開，庫水位在2656.81 m以下，沖沙閘堰流流量系數(shù)不作計算，原因是在此條件水流由擋沙坎和束水墻控制[3]。庫水位在2660.7 m以上時，沖沙閘為孔流，流量系數(shù)在0.550～0.777之間變化。

3.2 護坦末端及下游斷面流速

試驗量測了不同頻率洪水時建筑物及其上下游的流速，為了說明問題，這里列出護坦末端，海漫中部以及海漫末端3個斷面在30年一遇洪水、50年一遇洪水閘門全開時的流速分布以及水庫維持正常蓄水位，泄洪閘關(guān)閉，沖沙閘局開時以上3個斷面的流速分布如表1~表3所示。

表1 30年一遇洪水流速Tab.1 The velocity of the maximum flood in 30 years m/s

表2 50年一遇洪水流速Tab.2 The velocity of the maximum flood in 50 years m/s

從以上流速分布結(jié)果可以看出，出護坦的水流流速仍然較高，會對下游河道產(chǎn)生一定的沖刷。另外由于樞紐布置于彎道之上，受其影響，主流向凹岸一側(cè)偏移，在沖沙閘一側(cè)形成一定程度的回流。

表3 沖沙閘局開下泄257.57 m3/s下游河道流速Tab.3 The velocity in the downstream river course with a discharge of 257.57 m3/s with the sand sluicing gate opened m/s

3.3 原方案下游沖刷試驗結(jié)果

試驗分別進行了10年、20年、30年、50年一遇頻率洪水閘門全開，以及上游來流量350 m3/s，電站引用流量92.43 m3/s，庫水位為正常蓄水位，通過沖沙閘局開下泄257.57 m3/s等5個工況下的下游河道沖刷試驗。圖2、圖3為原方案沖刷試驗結(jié)果。

圖2 原方案海漫末端齒墻根部沖深圖Fig.2 Scour depth at the foot of the cut-off trench at the end of the apron according to the original plan

圖3 原方案下游河道左側(cè)沿程沖深圖Fig.3 Scour depth along the left side of the river course according to the original plan

由沖刷結(jié)果可知，泄洪閘和沖沙閘全開，各特征流量洪水下護坦末端及下游隨著下泄流量的增大，沖刷逐漸增大，最大沖深均出現(xiàn)于河道下游左岸，海漫末端齒墻根最低沖深為1.20~2.70 m，海漫末端下游沖刷最低沖深3.3~7.9 m。本工程消能防沖標準為30年一遇洪水，再參考50年一遇洪水的沖刷結(jié)果，海漫末端的齒墻深度應(yīng)不小于3 m，因此原設(shè)計海漫末端底高程2647 m偏小，齒墻深入底部的深度按5.5 m考慮。上游來350 m3/s，電站引92.43 m3/s，庫水位為正常蓄水位，沖沙閘局開下泄257.57 m3/s時海漫末端沖刷深度最深。要改變這一狀況，就要加強下游的防沖措施。

3.4 修改方案下游沖刷試驗結(jié)果

針對原方案泄流時下游左側(cè)沖刷嚴重，海漫末端沖深較大的問題，借鑒類似工程[4]在解決下游沖刷時所采取的措施，修改方案在河道左側(cè)布置了不同防護范圍的混凝土四面體保護區(qū)，并比較了不同防護范圍下，下游河道的沖深。

試驗做了正常蓄水位時，沖沙閘局開下泄流量為257.57 m3/s，在下游海漫末端鋪設(shè)沿左岸長60 m寬15 m，長50 m寬15 m，長40 m寬度由15 m變?yōu)?0 m四面體保護3種長度的保護形式比較沖刷試驗，同時還做了長50 m寬15 m和長50 m寬10 m用1.5 m3等3種不同四面體保護的范圍沖刷比較試驗。試驗結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 修改方案海漫末端齒墻根部沖深圖Fig.4 Scour depth at the foot of the cut-off trench at the end of the apron according to the revised plan

圖5 修改方案下游河道左側(cè)沿程沖深圖Fig.5 Scour depth along the left side of the river course according to the revised plan

沖刷試驗結(jié)果表明，四面體鋪設(shè)長度60 m和50 m均能滿足下游的消能防沖要求，而四面體鋪設(shè)長度40 m下游左岸的沖刷深度為7.3 m，不能滿足設(shè)計院控制的沖刷深度為5 m的下游消能防沖要求。因此從四面體保護長度上考慮，試驗建議保護長度采用50 m。

在保護長度采用50 m情況下，兩種四面體鋪設(shè)寬度的沖刷試驗結(jié)果表明，四面體鋪設(shè)寬度15 m和10 m均能滿足下游的消能防沖要求，但四面體鋪設(shè)寬度10 m下游左岸的沖刷深度為4.55 m，要比鋪設(shè)寬度15 m下游左岸的沖刷深度為3.85 m要深一些。因此從四面體保護寬度上考慮，寬度10 m可滿足消能防沖要求，為了安全，試驗建議保護寬度采用由上游寬度15 m過渡到寬度10 m。

4 結(jié)語

試驗結(jié)果表明：護坦末端水流以急流形式與下游水流連接，出海漫水流流速較高，會對下游河道產(chǎn)生嚴重沖刷。閘門全開泄洪時下游河道沖刷較沖沙閘局開泄流為淺；沖沙閘局開下泄流量為257.57 m3/s時下游沖刷最為不利。海漫后部鋪設(shè)四面體改善了下游沖刷深度，沖坑明顯變淺。保護長度50 m情況下四面體鋪設(shè)寬度15 m和10 m均能滿足下游的消能防沖要求，考慮安全及經(jīng)濟因素，建議保護寬度采用由上游寬度15 m過渡到寬度10 m。

[1]張宗孝.麥日水電站工程引水樞紐水力學模型試驗報告[R].西安：西安理工大學水力學研究所，2011：22-53.

[2] 中華人民共和國水利部.SL155-95水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，1995：10-14.

[3] 郭雷，馬斌，張宗孝，等.地洛水電站樞紐布置優(yōu)化試驗研究[J].西北水力發(fā)電，2006，22（5）：1-4.GUO Lei，MA Bin，ZHANG Zong-xiao，et al.Experimental studies on layout of Diluo Hydroelectric Station[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power，2006，22（5）:1-4.

[4] 王濤，劉興年，聶銳華.低閘樞紐護坦式消能工閘后沖刷試驗研究[J].四川水利，2006（3）：29-31.WANG Tao，LIU Xing-nian，NIE Rui-hua.Experimental studies on scouring after brake of low brake hub apron energy dissipation[J].Hydraulic of Sichuan，2006（3）:1-4.