托帕水庫整體水工模型試驗研究

張林波

(黃河水利委員會河湖保護與建設運行安全中心，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

擬建的托帕水庫是新疆維吾爾自治區(qū)恰克瑪克河上控制性水利樞紐工程，主要承擔灌溉、防洪等任務，工程建成后可以提高水資源利用效率，解決恰克瑪克河流域灌區(qū)季節(jié)性缺水問題；也可將下游河道的防洪標準從5年一遇提高到10年一遇。該水利樞紐工程主要由攔河壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、灌溉洞等組成。在設計過程中，為研究各泄水建筑物布置的合理性、泄洪沖沙洞和溢洪洞體型的優(yōu)劣及下游消能情況，建造了整體水工模型，通過試驗驗證設計的合理性，并提出修改建議。

2 模型設計

新疆克州恰克瑪克河托帕水庫整體水工模型設計為正態(tài)模型，根據(jù)試驗任務要求和水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程[1-2]，幾何比尺取1 ∶60。

本次模型下游沖刷試驗采用抗沖流速相似法進行模擬。根據(jù)設計部門提供的資料，托帕水庫左岸泄水建筑物出口地質(zhì)情況如下：上部為坡洪積物，巖性為碎石土，碎石土抗沖流速為1.0m/s左右；下部為基巖，巖性為灰?guī)r，基巖(灰?guī)r)抗沖流速為5.0～6.0m/s。

根據(jù)水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程，當模型采用散粒體模擬時，可采用依茲巴什公式計算散粒體粒徑：

(1)

式中：V為基巖抗沖流速,m/s；D為散粒體粒徑,mm。

模型沙粒徑采用式(1)計算，可得模擬碎石土散粒料粒徑D50=0.5mm，模擬基巖散粒料粒徑D50=15mm。

托帕水庫整體模型[3]范圍包括大壩上游庫區(qū)500m、壩體、泄洪沖沙洞和溢洪洞及大壩下游河道700m。模型長20m，寬約8m，高1.2m左右。

上下游河道部分采用水泥砂漿粉制作，溢洪洞、泄洪沖沙洞進口段等全部采用有機玻璃制作。模型進口流量用電磁流量計控制，庫水位和壓力用玻璃連通管量測(最小讀數(shù)精度為1mm)，流速采用LS-401型螺旋流速儀測量，脈動壓力采用DH5902型動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和CYB90S數(shù)字系列壓力傳感器量測，采用紙花觀測水流流向，采用攝像技術進行流態(tài)、流場描述。模型布置見圖1。

圖1 模型范圍

3 試驗成果

3.1 施工導流期模型試驗成果

泄洪沖沙洞布置在左岸，施工導流期主要承擔導流的功能。試驗觀測了導流期10年一遇洪水和50年一遇洪水兩種工況下導流泄洪沖沙洞流態(tài)。結果表明，在導流洞原設計出口體型下，由于出口挑流鼻坎坎頂高程高，10年一遇以下洪水時，在工作閘門下游明流挑坎段形成壅水，導流洞出口不能形成完整的挑射水流，將導流期泄洪沖沙洞挑坎段由挑流鼻坎型式調(diào)整為平底出流后，水流比較平順地挑入下游河道。泄洪沖沙洞出口水流流態(tài)見圖2。

圖2 各級工況下泄洪沖沙洞出口水流流態(tài)

試驗觀測了泄洪沖沙洞導流期間的水位流量關系，見圖3。試驗結果表明，10年一遇洪水時，試驗量測導流洞泄量為178.5m3/s，較設計值大2.9%。50年一遇洪水時，試驗量測導流洞泄量為306.5m3/s，較設計值大9.6%，滿足設計要求。

圖3 泄洪沖沙洞導流期水位流量關系

3.2 正常運行期模型試驗成果

試驗首先量測溢洪洞和泄洪沖沙洞全開、局開時水位流量關系，見圖4～圖5及表1～表2。結果表明，溢洪洞閘門全開和設計洪水位時，試驗量測溢洪洞泄量為933m3/s，較設計值小2.0%；校核洪水位時，試驗量測溢洪洞泄量為1180m3/s，較設計值大1.6%，其差值均在±2.0%以內(nèi)，基本滿足設計要求。

圖4 溢洪洞閘門全開時水位流量關系曲線

圖5 泄洪沖沙洞閘門全開時水位流量關系曲線

表1 不同庫水位下溢洪洞閘門局開時流量統(tǒng)計

表2 不同庫水位下泄洪沖沙洞閘門局開時流量統(tǒng)計

試驗量測泄洪沖沙洞閘門全開和設計洪水位H=2394.52m時，泄洪沖沙洞泄量為501m3/s；校核洪水位H=2396.1m時，泄洪沖沙洞泄量為511m3/s，比設計計算值大13%，滿足設計要求。

根據(jù)設計單位提供的溢洪洞和泄洪沖沙洞聯(lián)合運用的試驗工況(見表3)，對兩種水位運行工況下的水流流態(tài)、洞身流速、空蝕空化、水舌、出口流態(tài)等進行了試驗，并給出了合理的建議和分析。

表3 正常運行期各運行工況特征

3.2.1 水流流態(tài)

試驗結果表明，溢洪洞和泄洪沖沙洞進口均未出現(xiàn)漩渦；水流經(jīng)引渠進入溢洪洞，在進口閘墩附近產(chǎn)生繞流，特別是右側墩頭繞流嚴重，造成進流不均勻，再加之進口段坡度較陡，且在陡坡段洞身由14m寬收縮至8.5m寬，在洞內(nèi)產(chǎn)生水冠，由于進流的不對稱導致洞內(nèi)沖擊波左右擺動，洞內(nèi)水面起伏較大，在樁號0+115.846處左側水面凸起，凸起高度約為3.0m，直至影響到出口鼻坎，挑流水舌厚薄不均。

針對溢洪洞進口出現(xiàn)的不良流態(tài)，對其進口渠道體型進行修改，經(jīng)多組試驗比較，將溢洪洞進口渠道裹頭曲線方程調(diào)整為X2/102+Y2/62=1后，溢洪道進口水流比較均勻，未出現(xiàn)繞流現(xiàn)象(見圖6)，洞內(nèi)水流居中，不再左右擺動(見圖7)。

圖6 溢洪洞進口水流流態(tài)

圖7 溢洪洞洞身水流流態(tài)

3.2.2 空蝕空化

表4為溢洪洞各斷面測點水流空化數(shù)σ的計算值。從表4可以看出，溢洪洞各部位水流空化數(shù)在0.54～1.06之間，由于洞身各斷面平均流速均小于30m/s，按照規(guī)范要求，洞身段可以不設摻氣槽。

表4 各工況下不同斷面水流空化數(shù)

3.2.3 出口挑坎水力特性

試驗對兩種工況下挑流水舌的特性進行了觀測。結果表明，兩種工況下兩股挑流水舌厚薄都不均勻，挑流水舌的特征見表5。設計水位工況下，溢洪洞水舌挑距大于泄洪沖沙洞水舌挑距，校核水位工況下，溢洪洞和泄洪沖沙洞水舌最遠落入點差不多在一條直線上。

表5 正常運行期挑流水舌特征

為了提高溢洪洞和泄洪沖沙洞的消能效果，減輕水流對下游沖刷和對開挖渠道兩岸的淘刷，經(jīng)多組試驗比較，將溢洪洞出口改為單邊擴散鼻坎，泄洪沖沙洞出口挑坎改為差動式挑流鼻坎后，挑射水流消能效果顯著，見圖8～圖9。

圖8 溢洪洞、泄洪沖沙洞出口水舌曲線(泄洪沖沙洞開度1.30m，溢洪洞全開)

圖9 溢洪洞、泄洪沖沙洞出口水舌曲線(泄洪沖沙洞、溢洪洞均全開)

4 結 論

通過托帕水庫整體水工模型試驗，得出以下主要結論：?導流期泄洪沖沙洞挑流鼻坎改為平底出流后，水流平順挑入下游河道；?正常運行期，溢洪洞進口渠道裹頭曲線方程調(diào)整為X2/102+Y2/62=1后，進流比較均勻；?正常運行期，溢洪洞出口改為單邊擴散鼻坎、泄洪沖沙洞出口改為差動式挑流鼻坎后，挑射水流消能效果顯著。

試驗研究成果均被托帕水庫工程設計采用，效果良好，為樞紐工程建設提供了科技支撐。該工程為促進我國西部偏遠地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展做出了貢獻，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益。