新疆石門水庫(kù)工程溢洪道單體水工模型試驗(yàn)分析

張勝東

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院

（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

石門水庫(kù)工程位于新疆莫勒切河出山口，主要任務(wù)是灌溉、發(fā)電、城鎮(zhèn)生活工業(yè)供水和生態(tài)保護(hù)。該工程主要由大壩、排沙泄洪導(dǎo)流洞、溢洪道、灌溉引水發(fā)電洞，壩后電站等系統(tǒng)組成。

溢洪道由側(cè)堰段、控制段、泄槽段（包括緩坡段和陡坡泄槽）、消能段、尾水渠段五部分組成，全長(zhǎng)742.55 m。

建筑物級(jí)別為：大壩為2級(jí)，導(dǎo)流泄洪排沙洞、溢洪道、灌溉發(fā)電引水洞的建筑物級(jí)別為3級(jí)。

大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量926m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，校核洪峰流量1584m3/s。工程地震基本烈度為Ⅷ度。

2 試驗(yàn)?zāi)康暮湍Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）通過(guò)水工模型試驗(yàn)，驗(yàn)證溢洪道布置方案的合理性。

（2）驗(yàn)證溢洪道的泄流能力、水面線、流速等計(jì)算成果，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（3）驗(yàn)證溢洪道消能形式的可行性，并對(duì)其消能工體型進(jìn)行優(yōu)化。

（4）觀察并描述溢洪道進(jìn)口、泄槽及消力池等部位的水流流態(tài)，對(duì)不良流態(tài)提出改善措施。

（5）觀測(cè)溢洪道各部位的壓強(qiáng)分布，分析其設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施的必要性，并提出合理的摻氣減蝕設(shè)施。

（6）提出下游河床的消能防沖措施。

（7）提出推薦方案的試驗(yàn)成果。

2.2 試驗(yàn)要求

（1）模型比尺1∶70。

（2）試驗(yàn)范圍：模型上游保證來(lái)流的相似性，下游至少到下游河床沖刷穩(wěn)定斷面。

（3）試驗(yàn)在不同庫(kù)水位下進(jìn)行。

2.3 模型設(shè)計(jì)與制作

溢洪道單體水工模型按石門水庫(kù)工程整體模型設(shè)計(jì)，根據(jù)溢洪道和泄洪排沙洞的模型試驗(yàn)要求，模型設(shè)計(jì)需要滿足幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，因此，模型制作遵循佛勞德相似準(zhǔn)則并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地等條件進(jìn)行。模型幾何比尺L r=70。

模型庫(kù)區(qū)和下游河道地形按天然河道模擬，建筑物進(jìn)口引渠及出口退水渠或人工開挖部分按設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬；溢洪道控制段、泄槽段、消力池段及護(hù)坦段均用有機(jī)玻璃制作。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)自同一臺(tái)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果。

3 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)方案泄流能力

設(shè)計(jì)方案下特征水位的泄量與試驗(yàn)實(shí)測(cè)泄量比較見表1。

由表1可見，設(shè)計(jì)方案溢洪道校核洪水位時(shí)的實(shí)測(cè)泄量較設(shè)計(jì)值大45.78m3/s，占設(shè)計(jì)值的9.80%；設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的實(shí)測(cè)泄量較設(shè)計(jì)值大6.62m3/s，占設(shè)計(jì)值的8.49%，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

側(cè)槽溢洪道進(jìn)口段采用實(shí)用堰堰型，上游堰高3.0 m，斜向堰寬40.0 m。溢洪道特征水位溢流堰流量系數(shù)可用下面公式計(jì)算：

式中，m——含側(cè)收縮影響的流量系數(shù)；

Q——模型實(shí)測(cè)流量，m3/s；

B——溢流堰寬，m；

H0——堰上水頭，m。

經(jīng)計(jì)算，校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位的流量系數(shù)分別為0.454和0.338。

3.2 設(shè)計(jì)方案溢洪道流態(tài)

設(shè)計(jì)方案為側(cè)槽溢洪道，其側(cè)槽段流態(tài)為典型的沿程增量并伴有螺旋流的水流流態(tài)；緩坡段水流經(jīng)調(diào)整段改善后，流態(tài)較理想。設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，消力池水躍完整，流態(tài)良好，但校核洪水位時(shí)，消力池長(zhǎng)度略顯不足，尾坎處流態(tài)稍差。

3.3 設(shè)計(jì)方案溢洪道水深

試驗(yàn)實(shí)測(cè)得設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，溢洪道各部位體型設(shè)計(jì)均滿足要求，而校核洪水位時(shí)由于泄量增大，彎道末以上緩坡段邊墻高度有不同程度的偏低，其中0+048.0 m斷面右邊墻偏低2.09 m，彎道中斷面右邊墻低0.41 m。另外，校核洪水位時(shí)，消力池0+556.75 m斷面附近邊墻偏低0.7 m，尾坎附近護(hù)坦邊墻也有所偏低。

3.4 溢洪道壓強(qiáng)分布

溢洪道各部位共布置壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)51個(gè)，其中溢流堰18個(gè)，側(cè)槽底板3個(gè)，調(diào)整段至護(hù)坦中線30個(gè)。由觀測(cè)數(shù)據(jù)得出，校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)溢流堰不同部位有不同程度的負(fù)壓存在，但量值都不大，最大負(fù)壓為設(shè)計(jì)洪水位溢流堰上游段堰面中部位，量值為-0.97×9.81kPa，其余部位壓強(qiáng)均為正值。

3.5 溢洪道下游沖淤地形

溢洪道單體試驗(yàn)下游河道沖淤地形，因其水力條件與實(shí)際運(yùn)用時(shí)有差異，所以只能作為方案比較或確定防護(hù)范圍時(shí)參考。為了弄清消力池護(hù)坦后的防護(hù)范圍，試驗(yàn)首先在無(wú)任何防護(hù)措施情況下進(jìn)行。

從沖坑底高程來(lái)看，校核洪水位（坑底高程為2299.5 m）比設(shè)計(jì)洪水位（坑底高程為2307.4 m）深7.9 m；校核洪水位時(shí)，下游沖坑頂沿高程為2310 m，距護(hù)坦末最大距離為42.0 m，設(shè)計(jì)水位時(shí)沖坑下沿距護(hù)坦末約30.1 m。

3.6 溢洪道水流空化分析

為進(jìn)一步分析和評(píng)判溢洪道設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施的必要性，試驗(yàn)對(duì)校核洪水位工況下溢洪道陡坡段的水流空化數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，成果見表2。

表2表明，校核洪水位時(shí)陡坡段最大斷面平均流速在25m/s附近，水流空化數(shù)在0.27以上，因此，按照溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[5]和以往工程經(jīng)驗(yàn)本溢洪道可不設(shè)置摻氣設(shè)施，但應(yīng)注意對(duì)陡坡段施工不平整度的控制。

表1 側(cè)堰溢洪道設(shè)計(jì)泄量與試驗(yàn)實(shí)測(cè)泄量比較

表2 校核水位溢洪道陡坡段平均水深、平均流速與水流空化數(shù)

4 溢洪道試驗(yàn)結(jié)論

模型試驗(yàn)對(duì)側(cè)槽溢洪道的泄流能力進(jìn)行了率定，對(duì)校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位時(shí)溢洪道各部位的水力參數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，各特征水位實(shí)測(cè)泄量較設(shè)計(jì)泄量均有富裕，約占相應(yīng)設(shè)計(jì)泄量的9.80%～8.49%，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。從校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位所觀測(cè)的水力學(xué)參數(shù)來(lái)看，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)溢洪道沿程水深遠(yuǎn)低于邊墻高度，溢洪道各部位體型設(shè)計(jì)均滿足要求。但校核洪水位時(shí)，由于泄量大增，側(cè)槽末、彎道中、消力池0+556.75 m斷面附近至護(hù)坦起始斷面附近邊墻均有不同程度的偏低，建議設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加高。計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案校核洪水位消力池消能率為72.77%。

側(cè)槽溢洪道校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)溢流堰不同部位有不同程度的負(fù)壓存在，但量值都不大，最大負(fù)壓為設(shè)計(jì)水位溢流堰上游端堰面中部位，量值為-0.97×9.81kPa，其余部位壓強(qiáng)均為正值。下游河道無(wú)防護(hù)措施沖淤結(jié)果表明，護(hù)坦后河床沖淤范圍不大，建議加強(qiáng)局部防護(hù)。

設(shè)計(jì)方案溢洪道水流空化分析表明，校核洪水位時(shí)溢洪道最大斷面平均流速為25.14m/s，水流空化數(shù)在0.27～1.11之間，按照溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范和以往工程經(jīng)驗(yàn)，溢洪道可不考慮摻氣設(shè)施，建議對(duì)溢洪道陡坡段施工不平整度進(jìn)行控制。

5 消力池優(yōu)化試驗(yàn)

考慮到溢洪道消力池在校核水洪位時(shí)水躍不夠完整，尾坎處水流不平穩(wěn)，試驗(yàn)對(duì)在消力池設(shè)置消力墩的必要性和其消能效果進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

試驗(yàn)比較了3個(gè)方案即雙排4.0m墩方案、單排4.0 m墩方案和一排2.0m墩與一排4.0 m墩組合方案(簡(jiǎn)稱2m墩與4m墩組合方案）。

從水躍的完整性、水躍的穩(wěn)定性及躍后水面的平穩(wěn)性來(lái)看，2 m墩與4m墩組合方案較為理想，可以作為推薦方案。

6 最終方案試驗(yàn)

6.1 校核工況試驗(yàn)

最終方案消力池流態(tài)改善后消力池最大平均水深低于原設(shè)計(jì)邊墻高度，第一排消力墩前池底流速為17.88m/s，護(hù)坦末端中線底流速為7.98m/s。

試驗(yàn)仍以水躍躍首斷面和尾坎斷面為基準(zhǔn)斷面，算得最終方案校核洪水位消力池消能率為86.35%，因此，消力池設(shè)置消力墩后，消能率有明顯提高。

6.2 設(shè)計(jì)工況試驗(yàn)

由于設(shè)計(jì)洪水位流量較小，水躍位于陡坡末端上游附近，消力池水面平穩(wěn)，躍首處中線底流速為16.52m/s；護(hù)坦末中線底流速為3.52m/s。設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，溢洪道下游河道為全斷面沖淤變化，無(wú)明顯沖坑形成。

7 試驗(yàn)結(jié)論與建議

試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)設(shè)計(jì)方案消力池體型進(jìn)行了修改和優(yōu)化，對(duì)最終方案校核洪水位及設(shè)計(jì)洪水位的水力參數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)，試驗(yàn)結(jié)論分析如下：

（1）溢洪道設(shè)計(jì)方案（側(cè)槽溢洪道）試驗(yàn)表明，各特征水位模型實(shí)測(cè)泄量較設(shè)計(jì)泄量均有富裕，約占相應(yīng)設(shè)計(jì)泄量的9.80%～8.49%，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）從校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位所觀測(cè)的水力學(xué)參數(shù)來(lái)看，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)側(cè)槽溢洪道沿程水深遠(yuǎn)低于邊墻高度，溢洪道各部位體型設(shè)計(jì)均滿足要求，但校核洪水位時(shí)，由于泄量大增，側(cè)槽末、彎道中斷面附近邊墻均有不同程度的偏低，建議設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加高。

（3）從側(cè)槽溢洪道斷面平均流速來(lái)看，無(wú)論校核洪水位還是設(shè)計(jì)洪水位，沿程流速分布規(guī)律基本一致。

（4）溢洪道水流空化分析表明，溢洪道可不考慮摻氣設(shè)施，建議對(duì)溢洪道陡坡段施工不平整度進(jìn)行控制。

（5）最終方案試驗(yàn)表明，消力池設(shè)置消力墩對(duì)改善消力池流態(tài)，提高消能率效果明顯，消力池及護(hù)坦壓強(qiáng)分布正常。

（6）最終方案在護(hù)坦后一定范圍實(shí)施鋼筋籠防護(hù)后，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)下游河道已無(wú)明顯沖淤；由校核洪水位河道沖淤情況來(lái)看，最終方案護(hù)坦后防護(hù)范圍偏小，為安全起見，建議按設(shè)計(jì)的防護(hù)范圍進(jìn)行防護(hù)。

[1]水利部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院編，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范（SL279-2002）[S]，中國(guó)水利電力出版社，2002,12.

[2]武漢水利電力學(xué)院水力教研室編，水力計(jì)算手冊(cè)[M]，水利出版社，2006,6.

[3]溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范(SL253-2000)[S]，中國(guó)水利水電出版社，2000,8.