南津渡水庫消能防沖設施改進加固措施試驗研究

侯 斌，申培華，范洪浩

(1.中國國際工程咨詢公司，北京 100048; 2.衢州市港航管理處，浙江衢州 324000)

1 工程概況

南津渡水庫大壩樞紐位于湖南省永州市零陵區境內羊公灘處，距永州市15 km，是一座集防洪、供水、發電、灌溉、航運、放木等綜合利用的水電樞紐工程，也是湘江支流瀟水流域水電梯級開發的最后一個梯級電站，距湘江河口7 km，壩址控制流域面積11 791 km2，總庫容為6 100萬m3。水庫總裝機容量為60 MW。本樞紐于1989年8月全面動工，1991年11月投產，主要有攔河大壩、電站樞紐的引水式廠房及1、2、3號副壩和升船機等建筑物所組成。大壩樞紐包括混凝土溢流壩，兩岸漿砌石重力壩接頭和右岸土壩部分。

溢流壩段長218 m，設18孔溢流閘孔，堰頂高程105 m，閘墩厚2 m，每孔寬10 m，閘中分縫。溢流壩剖面采用WES型堰面曲線，壩體底寬23 m，溢流壩下游采用底流式消能方式，加固以前，11號至15號壩段設有消力池，池長20 m，池深3.5 m，池內共設有12個T型消力墩。6號至10號五孔壩段設有消能護坦，護坦長15 m，其他8孔原設計均有護坦，但未施工。

南津渡水庫運行多年，消能設施出現不同程度的破壞，泄水閘下游消能設施標準偏低，無法滿足消能的需要。且原設計方案中1～5號閘孔、16～18號閘孔下游均設有護坦，目前消力墩破損嚴重，護坦出現裂縫，消力池底板被掏空，護坦下游河床出現10 m左右的沖刷坑等現象。見圖1。

圖1 南津渡水庫沖刷坑地形高程示意圖(單位:m)

本論文對南津渡水庫閘壩消能設施的消能效果進行研究，對目前的消能狀況進行評價，在此基礎上提出合理的改善措施，以滿足消能防沖的需要［1］。

2 底流式消能特點

南津渡水庫下游采用底流消能，即水躍消能［2，3］，水躍是明槽水流從急流狀態過渡到緩流狀態時水面突然躍起的局部水力現象。當水躍發生時，水躍區的水流可分為兩部分，一部分是急流沖入緩流所激起的表面旋流，翻騰滾動，摻入空氣，稱為“表面旋滾”;另一部分是水滾下面的主流，流速由快變慢，水深由小變大。底流消能的主要特征是射流臨底，底流速很高，水流表面有乳白色水躍漩滾，大量摻流在水躍區通過紊動、擴散和混摻等方式，與周圍水體進行質量、動量和能量交換，并憑借內摩擦作用，把水流的勢能轉變為動能，在此過程中，水流的平均動能變為紊動能，然后通過粘性作用，消耗大部分能量。同時，射流在水躍區中形成產生邊界分離層，并逐漸向水面擴散，最終失去了急流的特點，與下游緩順銜接。我國的葛洲壩水電站、三江口水電站、鹽鍋峽水電站等等都是底流消能的應用實例。

但是對于低佛氏數(Fr＜4.5)的底流消能情況，水流難于形成水躍，或水躍漩滾不充分，常存在躍后流速分布不均勻、有明顯的大尺度紊動、水面波動較大等問題。因此傳統的底流消能方式往往難于滿足低佛氏數水躍消能的要求，所以加強對水力消能方面的研究，努力尋找出較優的消能工形式，是一項目前亟待解決的任務。

低水頭泄水建筑物的消能問題是中小型水利水電工程的常見問題。工程的顯著特點是水頭低，下游水位變幅大，來水隨季節變化明顯，另外由于流速小，佛羅德數較低，采用常規消能工消能率較低，消能問題突出［4－6］。近年來我國在水電及航運建設中結合特有的復雜的自然條件，對低水頭泄水建筑物的消能問題進行了專門的研究，取得了一定的研究成果。

對于低水頭、大流量、低佛羅德數的樞紐，采用的消能方式有:采用輔助消能工增加消能效果，如在消力池內設置消力墩或消力坎消能;改變常規消能工的出口條件，通過水流擴散、收縮或碰撞增加消能效果;在采用常規消能方式消能前通過水流收縮和擴散提前消除一部分能量，如采用寬尾墩等，也有不少工程采用綜合輔助消能工的消能方式［7］。

3 模型的設計與制作

本試驗模型按重力和阻力相似準則設計，采用正態模型，模型比尺采用1∶50。根據泄水閘尺寸、泄水要求和測量精度等要求，模擬7孔泄水閘泄水進行局部模型試驗，見圖2、圖3。模型水槽兩側采用可視玻璃制作，以便觀測水流沿程流態及泄流過程。在玻璃水槽中，水槽總寬為160 cm，河床質按照原河床抗沖流速，通過相似準則換算而成，墩頭和墩尾均為半圓形，堰面型式為WES型，材料采用pvc材質，滿足試驗糙率要求。采用實際運行調度方式中較為不利的試驗工況進行試驗，見表1。

表1 消能試驗場次安排表

4 原設計方案消能防沖試驗研究

南津渡水庫原設計方案中，消能設施主要有消力池、尾坎、T型消力墩以及護坦。溢流壩下游采用底流式消能方式，根據試驗研究內容要求，本試驗模擬6號至10號壩段的消能設施，其池長20 m，池深3.5 m，T型墩共16個。

4.1 消能率計算分析

根據模型試驗實測數據及消能率計算公式，原設計方案泄水閘的消能率計算如表2所示。

表2 原設計方案消能率計算表

各工況下閘前～尾坎斷面消能率的試驗及計算結果見表2，從表中可以發現，3種工況下的消能率普遍偏低，隨著流量的增加，閘門開度逐漸增大，下游水深逐漸變深，上下游水位差逐漸變小，水躍淹沒度增大，水躍消能率逐漸降低。另外，隨著下游水深的逐漸增加，過閘下泄水流的主流逐漸上升，消力池底部的流速減緩，與堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相應減弱，也造成消能率降低。

4.2 沖刷情況分析

沖刷深度結果如表3所示，河床的沖刷規律是隨著泄水閘單寬流量的增大，下游沖刷范圍及深度均有所增大，消力池尾坎以后150 m以內是沖刷坑的主要范圍，在150 m以后的位置，沖刷現象逐漸減弱，沖刷深度和沖刷范圍亦相應減小。

表3 原設計方案不同工況下游河床沖刷結果表

4.3 消能效果評價

根據上述對原設計方案的試驗，可得出以下結論:

1)消能工的消能效果比較差，消能率偏低;

2)隨著流量的增加，閘門的開孔數增加，閘門開度逐漸增大，下游水深逐漸變深，上下游水位差逐漸變小，水躍淹沒度增大，水躍消能率逐漸降低;

3)隨著下游水深的逐漸增加，過閘下泄水流的主流逐漸上升，與堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相應減弱，這使得水流紊動也逐漸減弱，消能率降低。

5 改進方案模型試驗研究

根據南津渡水庫原設計方案中消能設施出現的破損情況，對消能設施進行改進，改進的措施主要是加長消力池，增設消力墩，加設海漫等;改進方案Ⅰ在8號至15號壩段均設置消力池，池長34.6 m，池深3.5 m。改進方案Ⅱ在改進方案Ⅰ基礎上再增加了一排梯形消力墩，兩排消力墩錯位排列。

5.1 消能率計算分析

根據消能率計算公式，按照模型中實測數據對消能率進行計算:各工況下閘前～尾坎斷面消能率的試驗及計算結果見表4，從表中可以看出，消能率變化趨勢和原設計方案比較相似，但是改進方案Ⅰ的3種工況下消能率有明顯提高，這說明加長消力池對消能效果的改善作用明顯。隨著流量的增加，閘門開度逐漸增大，下游水深逐漸變深，上下游水位差逐漸變小，水躍淹沒度增大，水躍消能率逐漸降低。另外，隨著下游水深的逐漸增加，過閘下泄水流的主流逐漸上升，與堰、消力墩等建筑物的摩擦碰撞作用也相應減弱，也造成消能率降低。

改進方案Ⅱ在3孔泄流試驗中比原設計方案和改進方案Ⅰ消能率有較大幅度的提高，這說明加長消力池和增設一排梯形墩對消能效果的改善作用明顯，但增設消力墩也容易遭到水流的空蝕破壞，這也是在消能設施布置時需要考慮的問題。

5.2 沖刷情況分析

試驗表明:在動床模型試驗中，隨著水流對下游河床長時間的沖刷，下游河床沖刷深度隨著泄水閘單寬流量增大，下游沖刷范圍及深度均有所增大，沖刷坡度基本上沒有很大的變化，并且尾坎后端100 m以內是沖刷坑的主要范圍，在100 m以后的位置，沖刷現象逐漸減弱，沖刷深度和沖刷范圍亦相應減小。與原設計方案相比，沖刷深度和沖刷范圍明顯減小，下泄水流相對比較平順，下游河床最大沖刷深點距尾坎的距離有所增大。

表4 改進方案消能率計算表

如表5，改進方案Ⅱ與原設計方案以及改進方案Ⅰ相比，沖刷深度和沖刷范圍明顯減小，下泄水流相對比較平順，下游河床最大沖刷深點距尾坎的距離有所減小，最大沖刷深度由原設計方案7.33 m和改進方案Ⅰ的6.71 m減少到改進方案Ⅱ的4.87 m，消能防沖效果較好。

表5 改進方案下游河床沖刷結果表

6 結論與建議

結合南津渡水庫閘壩原設計方案的消能設施出現明顯沖刷破壞，以及下游河床出現深潭現象，建立物理模型，對其原設計方案和改進方案后的消能設施的消能效果進行研究，得出以下結論:

1)通過對消能設施進行改進，消能工的消能效果有比較大的改善，消能率有所提高，改進方案Ⅰ的3種工況下消能率有明顯提高，改進方案Ⅱ在三孔泄流試驗中消能率也有較大幅度的提高，且改進方案Ⅱ穩定下游水流效果較好，這說明加長消力池和增設一排梯形墩對消能效果的改善作用明顯，建議采用改進方案Ⅱ的消能設施布置方式。

2)改進方案Ⅰ與原設計方案相比，沖刷深度和范圍相對縮小，而改進方案Ⅱ試驗中的沖刷深度和范圍得到進一步減小，這說明改進方案Ⅱ對防止河床沖刷方面效果更加明顯。但水流對消力池底部掏刷仍然存在，為防止對建筑物穩定造成危害，建議在尾坎后部加設海漫，以更進一步地保護消力池和閘壩的穩定。

［1］劉曉平，侯 斌，潘宣何，等.南津渡水庫閘壩下游河床沖刷問題的試驗研究［J］.長江科學院院報，2010，27(4).

［2］呂欣欣.低水頭大流量廠壩聯合泄洪消能流場的研究［D］.西安:西安理工大學，2007.

［3］陳俊英.低水頭引水工程消能措施試驗研究［D］.陜西:西北農林科技大學，2005.

［4］易桂興.低水頭徑流式電站水能設計的幾個問題研討［J］.水能經濟，2004:54－55.

［5］雷雪婷.廣西潯江長洲樞紐壩下河床沖刷研究［D］.南京:河海大學交通學院，2004.

［6］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，2006:29－31.

［7］花立峰.消力墩—T型墩—消能塘聯合消能的試驗研究［J］.水利水電工程設計，2004:41－43.