汾河二庫大壩泄水建筑物消能及下游河道沖刷問題研究

王秋鵬

（山西省汾河二庫管理局，山西 太原 030012）

1 大壩泄洪建筑物概述

汾河二庫樞紐大壩泄洪任務由泄洪底孔、溢流表孔和供水發電隧洞共同承擔，其中溢流表孔壩段布置于河床中部，共3孔，泄流底孔對稱布置于溢流表孔兩側，每側各布置2孔。

泄流底孔長68.25m，進口段長7.465m，底高程859.0m，為5.8m×7.2m的矩形斷面，設平板事故檢修門；壓力洞段長28m，斷面尺寸為5.8m×7.2m；出口收縮段長7.2m，孔口尺寸為5.8m×6m，出口設弧形工作閘門控制；門后為9.4m平流段接擴散挑流鼻坎消能工，擴散段長16.2m，側墻以1∶9向下游擴散，反弧段長13.7m，反弧半徑28.0m，挑射角27°，鼻坎高程862.05m。

溢流表孔壩段每孔凈寬12m，為開敞式溢流堰，堰頂高程902.0m，堰面曲線采用冪曲線，公式為y=0.099xl.85，堰面曲線與坡比為1∶0.75的斜直溢流面相切。斜直線段下接反弧段，反弧段圓心角為53.13°，反弧段最低點高程為866.29m，反弧半徑15.0m，挑角25°。挑流鼻坎為連續式，挑坎高程為861.7m。溢流堰面曲線的原點上游堰面由1/4橢圓曲線組成，橢圓曲線與豎直線壩面切點的高程為900.88m。自高程857.7m以下，壩上游面坡比為1∶0.2。

汾河二庫總庫容1.33億m3，設計洪水重現期為100年一遇，校核洪水重現期為1000年一遇。正常高水位905.7m，相應下游水位855.7m（地下水位），汛限水位905.7m；設計洪水位907.32m，相應下游水位859.8m，相應下泄流量3450m3/s；校核洪水位909.92m；相應下游水位861.15m，相應下泄流量5168m3/s。從利于排沙和便于運行操作角度考慮，水庫遭遇100年一遇和小于100年一遇洪水時由泄流底孔泄洪，大于100年一遇洪水時，由泄流底孔、溢流表孔和供水發電隧洞共同泄洪。

2 基本資料

河道模型按照山西省水利設計院1995年實測地形圖進行制作。

河道模型巖石與土或砂卵石分界線由山西省水利設計院地質勘察隊提供，兩岸除電站平臺按防洪堤進行模擬外，其余按直立巖石坡度考慮。河床砂卵石覆蓋層平均厚度按26m考慮，大壩處基巖高程平均按830m考慮，基巖邊界按定床、砂卵層按動床試驗。兩岸建筑物均按設計要求進行模擬。

河床覆蓋層模擬是依據壩基探坑顆分資料，采用天然砂作為模型砂，按照級配曲線進行選配。由于小顆泥沙在沖刷過程中對河道沖淤變化影響較小，故模型砂中大于0.1mm的部分嚴格按級配曲線控制，約占70%以上，小于0.1mm的部分占總量30%。

根據調洪演算下泄流量過程，泄水過程概化為5個流量等級、7個流量時段進行模擬。

3 分級泄洪消能及下游河道沖刷模擬

3.1 大壩下游河道流態及流速分布

當下泄流量為440m3/s時，局部開啟一底孔閘門，雖然沖刷區回流有一定范圍，也不對稱，但不會對工程有危害，主流沿原河槽流動。

當下泄流量為877m3/s時，如開啟右側一孔后，沖刷區明顯不對稱，左側為較大回流區，回流可至左岸，達壩腳，但強度很弱，不會造成危害。電站防洪堤首部水流比較平穩，僅達4.5m3/s，沖刷不嚴重，河流維持原河道流勢。

大壩泄流為較小流量時，除水舌入水處及其附近流速高、沖淤變化大外，其余地段流速均較小。當下泄流量為1740m3/s時，如左右側各開一孔閘門，壩后沖刷區水流對稱，流態比較平穩，水舌入水處左側雖受地形影響，逆時針回流較大，但回至水舌入水處即基本結束，危害不大，對壩腳沒有影響。電站防洪堤首部水流在橫斷面上分布比較均勻，斷面流速分布、水深等均比較接近。受彎道水流的影響，凹岸形成沖刷，凸岸形成淤積。

各處流速一般均小于巖石抗沖流速，電站防洪堤首部流速最大僅5.3m/s，沖刷不嚴重。該流量介于10～20年一遇洪水之間，時段比較長，河床基本達到沖淤平衡。

當下泄流量為3579m3/s時，（庫水位907.32m，為水庫100年一遇泄量），大壩4個底孔同時泄洪，壩后沖刷區流態基本對稱。壩腳處流速很小，下游左側150m處因地勢開闊，有逆時針回流，但回流范圍不大，流至水舌入水處而匯入主流，對壩腳無影響。沖刷區兩岸陡崖處流速基本小于巖石的抗沖流速，只有個別點流速接近6m，壩腳水位接近挑坎高程。彎道以后的水流比較穩定。

當下泄流量為5168m3/s時（庫水位909.92m，為水庫1000年一遇泄量），因流量大，河道水位上升高，壩后沖刷區、水舌前沿寬度占河道寬度的80%以上。加之河道水深大，岸邊流速均較小，水流比較穩定，壩腳部位比較安全。

3.2 大壩下游河道沖淤變化

大壩修筑以后改變了原河床水力條件。大壩泄洪時，無論泄量大小都會引起河道在一段距離內的沖淤變化。各級流量河道沖淤情況如下：

當一孔泄洪時（如右邊孔開啟，泄洪流量為877m3/s），除水舌入水區右岸陡崖接觸沖刷局部高程可達840m外，其余部位均無嚴重沖刷，壩腳床面高程為850m以上。下游河床沿兩岸凹岸為主流沖刷區，最大沖深達840m，但對大壩沒有影響。

當兩孔開啟時（庫水位905.7m，泄洪流量為1754m3/s），左右側各開一孔，壩后沖刷坑區的沖淤變化基本對稱，大壩下游約100m處沖坑較深，最深點高程839.17m。壩腳處床面高程在850m以上，沖坑對大壩安全無影響。下泄該流量對下游建筑不會造成破壞。

當泄洪流量達100年一遇流量時，4個底孔全部泄洪，由于水流對稱，回流不大，壩腳沖刷不大，河床高程850m以上，沖刷區沿兩岸的接觸沖刷最深點高程可達840m，對大壩安全無影響。大壩下游其他建筑物，除局部地段受淤積危害外，不存在沖刷危害。對建筑安全不會造成威脅。

當泄洪流量達1000年一遇校核流量時（流量為5168m3/s，庫水位909.92m），因河道流量分布均勻，流速較小，壩腳河床高程仍在850m以上，左岸852m，右岸855m。由于受地形影響，左岸回流較大，強度較高，在大壩下游約120m處，沖坑最深點達833.08m。對大壩安全無影響。大壩下游建筑物沖、淤危害基本與100年一遇情況相同。

綜上所述，大壩按分級泄流時，泄洪沖坑深度未達壩腳基巖，泄洪沖刷不會對大壩及下游其他建筑構成安全威脅。電站尾水渠出口淤積危害可用人工方法清除解決。

4 連續泄洪消能及下游河道沖刷

為了解洪水在連續過程中河道的流態變化，主要部位的水位、流速及沖淤變化，以便與分階段試驗資料進行比較，故對100年一遇洪水過程按流量分級進行連續泄洪試驗，進行各級流量的流態觀測及測量各主要部位的流速、水位及相應水深。流量分級及時段控制與分段試驗相同，漲水時增加440m3/s一級，落水時增加877m3/s一級。

由各級流量的流態觀測可知，當泄洪流量較小時，除壩后挑流沖刷區受底孔開啟運行的方式影響略有不同外，其余部位連續泄洪與分段放水總的流態完全相同，主流線基本不變，都受彎道節點控制，沖刷區與淤積區基本不變，高程也基本相同。

各級流量的流速分布、大小及方向在連續放水與分級放水中基本相近，各級流量主要部位的流速值一般均小于6m/s。

由于行洪過程中難以看清河床的沖淤變化，只能根據感覺測其水深及相應水位來推算河床的沖淤變化。從實測資料分析，各級流量河床的沖淤變化規律與分階段試驗的結果一致。

5 結論及建議

第一，根據各主要斷面的水位與流量關系以及河道沿程水面線分析，沖刷區末端的水位要高于壩腳水位。校核洪水位情況下，壩腳水位略高于挑坎頂高程外，其余各級流量下均低于挑坎高程，故挑坎高程基本合適。校核洪水位下，由于壩腳水位高于挑坎高程，故挑射水舌有些顫動，且水舌有通氣不足現象，但因時間很短對大壩不會有太大危害。

第二，從各級流量條件下河床沖淤變化看，無論流量大小壩腳處均不會有嚴重沖刷，壩腳處河床高程均在850m以上。由于壩腳無大的回流，挑坎以下的壩面磨損破壞基本不存在。

第三，對小于設計洪水以下的流量，其壩后沖刷區的流態及河床沖淤變化與底孔開啟運行方式有直接關系。因此，當泄洪流量超過一孔泄量后，盡量考慮兩側底孔對稱開啟運行，以保持河道水流對稱，盡量減少回流。當出現低水位沖沙運行時，要求底孔對稱開啟運行，由于低水位運行，盡管流量小，但水舌挑距很近，甚至成跌流狀態，其沖坑深度可達836m，且靠近壩腳，若回流不對稱會對壩腳產生不良影響。