川江水利樞紐水工模型試驗研究

卓 淳 馬建偉 趙 俐

（廣西桂林市水利電力勘測設計研究院 廣西桂林 541001）

1 工程概況

桂林市川江水利樞紐是桂林市防洪及漓江補水樞紐工程之一，位于漓江上游支流川江上，工程的開發任務是以城市防洪和生態環境補水為主，結合發電等綜合利用。工程防洪保護對象主要為桂林市城區，兼有對漓江沿岸的防洪減災作用；工程枯水期向漓江補水，是實施漓江生態環境補水的重要水源工程。

川江水利樞紐攔河壩為碾壓混凝土重力壩，由左岸非溢流壩段、右岸非溢流壩段和溢流壩段組成。壩頂總長259m，壩頂高程278.00m，壩頂寬8m，最大壩高83m。（大壩下游立視見圖1）攔河壩上游面210.00m高程以上為鉛直面，220.00m高程以下壩坡為1∶0.2。左、右岸非溢流壩段下游壩坡為1∶0.8，起坡點高程270.00m，270.00m高程以上為鉛直面。

溢流壩段位于大壩中部靠左岸，長34.0m，布置2個表孔和1個中孔聯合泄洪。表孔采用開敞式WES型實用堰，堰頂高程266..00m，每孔凈寬10m，堰面曲線為Y＝0.09478X1.836，溢流壩段下游面坡度為1∶0.8。溢流壩泄洪采用挑流消能型式，反弧段半徑為25m，挑射角25°，鼻坎高程226.34m。堰頂設弧形工作閘門。中孔布置在表孔中墩下部，進口底高程244.00m，孔寬4.0m，底坡i＝0，進口段頂曲線采用橢圓曲線，進口底部前沿為圓弧曲線，半徑2m，進口兩側前沿為橢圓曲線，平板事故檢修閘門設在進口段之后，孔口尺寸為4.0×5.5m （寬×高），出口端設壓坡段，坡度為1∶4，后接弧形工作閘門，閘門孔口尺寸為4.0×4.5m （寬×高）。溢流壩段表孔邊墩厚度為2.5m，中墩厚9.0m。

水庫正常蓄水位為274.00m，設計洪水位 （P＝1%）275.00m，防洪高水位為275.00m，校核洪水位為 （P＝0.1%）275.17m，汛限水位263。31m，發電死水位為244.00m，水庫死水位為230.00m。在設計洪水位時的最大下泄流量為598m3／s，相應下游水位214.64m，校核洪水位時最大 下 泄 流 量 為 1463.5m3／s，相 應 下 游 水 位217.18m；中孔在汛限水位263.30m時的下泄流量不小于100m3／s。30年一遇洪水時下泄流量為474m3／s，相應下游水位為214.17m。

2 實驗目的

本試驗擬通過水工斷面模型試驗及整體模型試驗，研究泄水建筑物流態、泄流能力、體型優化、消能效果、下游河床沖刷和防護措施，驗證樞紐布置方案的合理性，并針對試驗中存在問題提出修改意見，為初步設計提供技術依據。

中孔斷面模型試驗目的為：研究中孔進、出口體型對中孔泄流的影響，優化中孔進、出口體型；驗證泄流能力；量測水面線、流速及壓力分布；研究大壩下游沖抗深度，觀測下游消能區流態；評價工程安全性。

整體模型試驗的目的為：在中孔斷面模型的基礎上，進一步優化中孔出口體型；研究表孔閘墩體型對泄流的影響，驗證泄流能力；量測水面線、流速及壓力分布及大壩下游沖抗深度；研究中、表孔單獨泄洪及聯合泄洪情況下下游沖抗深度、流態；觀測各種泄流工況下游消能區流態；優化反弧半徑、鼻坎高程、挑射角，研究下游防護措施，評價工程安全性。

3 下游河床巖石的抗沖性能

溢流壩段布置于河床偏左岸，壩基主要置于弱風化D2y3、D2y4巖層，巖性為砂巖、細砂巖局部夾泥巖，巖石堅硬，力學強度高；消力池下游沖刷區內開挖及出露基巖為D2y3、D2y4巖層，巖性為泥質粉砂巖、細砂巖局部夾泥巖，巖石堅硬，力學強度高。允許抗沖流速：砂卵石1～1.5m／s，強風化2～3m／s，弱風化4～5m／s；沖刷系數：砂卵石1.8，強風化1.3，弱風化1.1。

4 斷面模型試驗

4.1 模型設計與制作

川江水利樞紐溢流壩斷面模型試驗在室內玻璃水槽中進行，玻璃水槽寬60cm，高1.8m，長20m。根據玻璃水槽尺寸，模型模擬34m長的溢流壩段，模型幾何比尺選用1∶56.7，斷面模型按重力相似設計為正態模型。模型壩體、閘墩和消力池用水泥漿刮制，過水表面均進行燙蠟處理。地形用1∶2.5水泥砂漿抹面，模型精度及相似性滿足試驗要求。

4.2 溢流壩泄流能力

4.2.1 溢流壩泄流能力試驗及成果分析

本工程溢流壩的主要任務為宣泄洪水，降低水庫運行水位，保證水庫按預定的運行調度方案運行，確保水庫在汛限水位263.31m時下泄流量不小于100m3／s，并具有排污、排漂功能。根據溢流壩泄流任務，設計采用表孔與中孔聯合泄流方案，溢流壩工程布置圖見圖1。試驗模型上游地面高程按205m高程模擬，溢流壩下游地形按207.63m高程模擬。

敞泄各級洪水流量工況下，泄流能力試驗結果見表1和圖2。

斷面試驗結果表明，從試驗結果來看，上游水位的試驗結果和設計值低0.00～0.40m，說明模型試驗的過水能力和設計計算值相近，高水位時大于設計值，設計方案滿足要求。

表1 表孔與中孔聯合泄流方案的泄流能力試驗結果

4.2.2 溢流壩中孔泄流能力試驗及成果分析

在汛限水位263.31m下，關閉表孔，在中孔全部開啟和局部開啟3m、2m、1m時的泄流能力試驗結果見表2，圖3。

從表2可看出，中孔在汛限水位263.31m時下泄流量為262m3／s，滿足汛限水位下設計下泄流量不小于100m3／s的要求。此外，各開度下中孔的流量系數試驗值均在正常范圍。

圖1 表孔與中孔聯合泄流的泄流能力曲線

圖2 中孔泄流能力試驗曲線

4.2.3 流態分析

（1）表孔與中孔聯合泄流

①Q＝1463.5m3／s（校核工況）。壩前水流較為平靜，沒有出現旋渦等不利水流現象；水流經過表孔堰頂后平順下泄，堰面水流分布均勻；中孔下泄水流底部脫離下游壩面，水流墜落點在溢流壩反弧段的最低點處，沒有出現水流反射現象；中孔出流橫向擴散不明顯。由于受中孔下泄水流的影響，表孔下泄水流被擠向兩側，造成表孔和中孔的水流匯合后，兩側的水深大于中間，兩側的水面低于導墻頂，但有水花翻越導墻。水流經挑坎末端處向下游方向挑射，并向兩側展開，下泄水流水舌挑距約為94cm，水流在沖坑內翻騰旋滾強烈，沖坑下游水流較平順。

②Q＝598m3／s（設計工況）。壩前水流較為平靜，沒有出現旋渦等不利水流現象；水流經過表孔堰頂后平順下泄，堰面水流分布均勻；中孔下泄水流脫離下游壩面，水流墜落點在溢流壩反弧段的最低點附近，沒有出現水流反射現象；中孔出流橫向擴散不明顯。表孔和中孔的水流匯合后，兩側的水深大于中間。水流經挑坎末端處向下游方向挑射，并向兩側展開，下泄水流水舌挑距約為79m，水流在沖坑內翻騰旋滾強烈。

③Q＝474m3／s（消能防沖工況）。壩前水流平靜，沒有出現旋渦等不利水流現象；水流經過表孔堰頂后平順下泄，堰面水流分布均勻；中孔下泄水流沒有完全脫離下游壩面，水流墜落點在溢流壩反弧段的上游側。水流經挑坎末端處向下游方向挑射下泄水流挑距約為57m，水流在沖坑處翻騰旋滾強烈，沖坑下游水流平順。

④Q＝296m3／s。上游水位與溢流堰頂即表孔底部平齊，無水流從表孔溢出，單獨由中孔泄流，中孔進口水流均較為平靜，中孔出流沒有脫離下游壩面，水流墜落點在直線段與反弧段連接處附近，水流經挑坎末端處向下游方向挑射，挑坎處水流穩定，在挑射過程中逐漸向兩側展開，下泄水流水舌挑距約為37m，水流在沖坑處形成輕微的旋滾，沖坑下游水流向平順。

（2）中孔獨立泄流

在汛限水位263.31m下，關閉表孔，中孔全部開啟和局部開啟3m、2m、1m時的泄流態如下：

①中孔全開。中孔進口水流均較為平靜，中孔下泄水流沒有完全脫離下游壩面，水流墜落點距離中孔出口水平距離約19.8m，水流經挑坎末端處向下游方向挑射，并向兩側展開，下泄水流水舌挑距約為57m。

②中孔開3m。中孔進口水流均較為平靜，中孔下泄水流沒有脫離下游壩面，水流墜落點距離中孔出口水平距離約19.8m，水流經挑坎末端處向下游方向挑射，并向兩側展開，下泄水流水舌挑距約為50m。

③中孔開2m。中孔進口水流均較為平靜，中孔下泄水流沒有脫離下游壩面，水流墜落點距離中孔出口水平距離約23m，水流經挑坎末端處向下游挑射，挑距約為42m。

④中孔開1m。中孔進口水流均較為平靜，中孔下泄水流緊貼下游壩面，水流經挑坎末端處向下游方向挑射，挑距約為28m。

4.3 動床沖刷試驗

本次動床沖刷試驗采用散粒體制作動床模型，根據設計方提供的河床基巖抗沖流速3～4m／s，按照伊茲巴什公式計算，取沖料當量粒直徑為5～10mm。試驗的沖刷時間不少于3h。

分別取30年一遇消能防沖建筑物的設計洪水標準（Q＝474m3／s）、溢流壩100年一遇設計洪水（Q＝589m3／s）、汛限水位263.31m 下中孔敞泄（262m3／s）三個工況進行動床沖刷試驗。

試驗結果見表3，下游沖刷情況見圖3、圖5。

表3 斷面模型試驗最大沖坑深度表

圖3 下游河床沖淤圖（Q＝598m3／s）

圖4 下游河床沖淤圖（Q＝474m3／s）

圖5 下游河床沖淤圖（Q＝262m3／s）

從測試的三個流量來看，下游沖坑深度隨下泄流量加大而增加，沖坑深與水舌挑距的比值均小于規范值1／2.5，故沖坑不危及大壩的安全。

5 結論

（1）泄流能力試驗結果表明，采用表孔與中孔聯合泄流方案時，上游水位的試驗結果較設計值略低，說明模型試驗的過水能力和設計計算值相近，高水位時略大于設計值，泄流設計方案滿足要求。（2）中孔泄流能力試驗結果表明，中孔在汛限水位263.31m時閘門全開的下泄流量為262m3／s，滿足汛限水位下設計下泄流量不小于100m3／s的要求。

（3）30年一遇消能防沖建筑物的設計洪水標準（Q＝474m3／s）、溢流壩100年一遇設計洪水（Q＝589m3／s）、汛限水位263.31m 下中孔敞泄（262m3／s）三個工況的動床沖刷試驗結果表明，下游沖坑深度隨下泄流量加大而增加，沖坑深與水舌挑距的比值均小于規范值1／2.5，沖坑不危及大壩的安全。

1 《混凝土重力壩設計規范》（SL319－2005）

2 川江水利樞紐工程初步設計報告，桂林：桂林市水利電力勘測設計研究院，2009

3 《川江水庫水工模型試驗研究》，廣西大學土木建筑工程學院，2009