肯斯瓦特水利樞紐工程泄洪沖砂洞水工模型試驗優化設計

蘇翠玲 李 巖

(新疆兵團勘測設計院 新疆 石河子 832000)

1 概述

新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程是一座控制性骨干工程，具有防洪、灌溉、發電等綜合利用功能。水庫總庫容1.89億m3，控制灌溉面積316.3萬畝，電站裝機100MW，年均發電量2.7億kW·h。泄洪沖砂洞位于大壩右岸，采用“龍抬頭”方式與導流洞結合，進口底板高程930.0m，隧洞全長511.48m，洞身段為無壓城門洞型，結構尺寸6m×6.7m（寬×高），最大泄量500m3/s（限泄），出口消能方式采用底流消能。

新疆瑪納斯河為多泥沙河流，懸移質多年平均輸沙量336.7萬t，輸沙率為106.8 kg/s，同期含沙量為2.73 kg/m3，侵蝕模數726.1t/km2。泄洪沖砂洞在運行期存在水頭大、流速高等問題，為了論證泄洪沖砂洞各部分設計的合理性、可靠性及對設計的摻氣措施和消能措施的優化，進行了水工模型試驗。

2 水工模型試驗目的

本工程正常蓄水位為990.0m，校核洪水位為993.35m。泄洪沖砂洞進口高程930.0m，洞長511.48m，采用“龍抬頭”方式與導流洞連接，隧洞最大流速為34.52m/s。為了驗證根據理論計算所設計的摻氣措施及消能措施的合理性，確保工程運行安全，對工程進行了模型試驗，為工程后期設計提供試驗支持。

3 水工模型試驗內容

該試驗由西北農林科技大學水工模型試驗室承擔，模型比例采用1∶60，盡可能真實地模擬建筑物進出口邊界條件。模型試驗主要的內容為：

（1）驗證泄洪沖砂洞在閘門全部開啟及各種局部開啟時的泄洪能力，測定工作閘后漸變段、無壓洞、明流洞及消力池的水面線、流速及壓強分布，繪制相應的水位～流量關系曲線，據此復核各特征工況的泄流能力。

（2）觀測主要工況進水口前引水渠水流流態，觀測進水口前是否產生漩流及漩流的性質，產生漩流的界限水位，確定泄洪沖砂閘的合理運行方式。

（3）根據試驗結果對泄洪沖砂洞不同部位建筑物體型進行評價，并進行必要的修改優化。

（4）根據試驗結果優化選擇摻氣槽的布置、數量、體型尺寸，觀測主要工況下摻氣槽的水流參數及摻氣效果，供設計選用。

（5）觀測不同工況下下游河道的水面線、河道流速、流態及消能防沖效果，對下游河道消能防護設施作出評價，提出改進意見。

（6）對優化后的泄洪沖砂洞體型進行模型試驗。

4 水工模型試驗分析

4.1 設計泄量工況下模型試驗情況

模型試驗首先對肯斯瓦特水利樞紐泄洪沖砂洞各特征工況的泄流能力進行了率定，特征水位設計泄量與試驗實測泄量比較見表1。

由表1可見，泄洪沖砂洞各特征水位（全開）實測泄量均略大于設計泄量，差值在1.29%～1.49%之間，泄流能力滿足設計要求。

試驗測得原設計方案由于閘后擴散段較短，擴散角偏大（5.71°），龍抬頭段上游端泄槽兩側水翅較嚴重，槽內有明顯的折沖波存在。斷面最大橫向水面差分別達1.72m（校核工況）和1.81m（正常工況）。

在模型進口控制段頂部中線、閘槽及進口底板至消力池底板中線共布置壓強測點36個。試驗結果表明，除位于控制段末端7#測點壓強為-1.2×9.81kPa外，其余測點壓強均為正值，且分布較合理。

根據模型試驗結果，下游河道除泄洪沖砂洞退水渠出口右側沖刷外，下游河道其它部位無明顯沖淤。

由于泄洪沖砂洞是由導流洞改建而成的“龍抬頭”式泄水洞，控制段為短且有壓孔口出流，工作水頭大于60m。因此，工作閘后至龍抬頭反弧段下游附近，不但流速較大、空化數較小，且屬于容易發生空化空蝕破壞的區域。根據試驗結果反弧段以上水流空化數整體偏小，流速偏大，而反弧段以下則相反。各斷面流速、壓強和空化數見表2。

表1 泄洪沖砂洞特征水位設計泄量與試驗實測泄量比較

表2 校核水位閘門全開泄洪沖沙洞斷面平均流速與水流空化數

表3 優化后的泄洪洞各特征水位實測泄量與原方案實測泄量 單位：m3/s

表4 校核工況下泄洪沖砂洞摻氣特征

4.2 原設計方案試驗結論

通過水工模型試驗對肯斯瓦特水利樞紐工程泄洪沖砂洞原設計方案進行了驗證，試驗結果表明，泄洪沖砂洞各特征水位泄流能力實測值略大于設計值，滿足設計要求；各工況進口引水渠流態良好；無壓洞、明流洞水深及流速分布合理；消力池水躍位置合理、水躍完整穩定，消力池設計基本符合要求；各工況下游河道沖淤范圍不大，沖坑深度3m～4.4m。

原方案泄洪沖砂洞存在的主要問題是控制段后擴散段較短，洞內局部水翅及折沖波較嚴重，需要修改優化。另外，消力池水面波動稍大，邊墻高度略顯不足。

4.3 優化后方案試驗結果

根據模型試驗結果，在原設計方案基礎上針對其所存在的問題進行修改。修改內容主要有：

（1）控制段后漸變段由原設計10m調整為30m。

（2）消力池底板高程由861.41m調整為860.41m，同時，消力池上游斜坡段也隨之作了調整。

優化后的泄洪洞各特征水位實測泄量與原方案實測泄量見表3。由表3可以看出，優化后泄量較原方案增加1.01%～0.47%，泄流能力滿足設計要求；閘后漸變段由10m調整為30m后龍抬頭段流態明顯改善，斷面水深分布較為均勻；將消力池底板高程調整到860.41m后，水躍位置有所上移，消力池長度較為富裕，水面波動有所減弱，流態得到改善。

根據溢洪道設計規范和類似工程經驗，本試驗在閘后0+037.00m、0+120.39m和0+183.13m處分別設置一道摻氣坎。各摻氣坎摻氣特征值見表4。

5 結語

通過對原設計方案進行模型試驗，根據試驗結果對原設計方案進行優化，優化后方案泄量、流態、壓強分布、空化數和下游河道沖刷等都符合規范要求，提高了工程安全度，為工程后期設計提供了試驗支持。陜西水利

[1]李煒．水力學計算手冊（第二版）[M].中國水利水電出版社，2006，06．

[2]溢洪道設計規范（SC253-2000）[S].中國水利水電出版社，2000，08．

[3]夏毓常．水力計算論文集[M].中國水利水電出版社，1997，10．

[4]西北水科所．肯斯瓦特水利樞紐工程泄洪洞水工模型試驗報告[R]．2009，10．