對溢流壩模型下游動定床試驗的研究

張 楊，胡海松，伍學文，柳 滔

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景及意義

目前對于溢流壩挑流沖刷的試驗已有眾多學者進行了大量的研究，如常云華等[1]通過建立水工物理模型,對溢流壩在不同運行條件下的水流流態進行了觀測，對其在下游河床和兩岸山體造成的沖刷問題進行了研究；曹剛[2]通過水工模型試驗成果的分析,對白石水庫溢流壩進行了多種消能工型式研究；陳燦輝[3]較好地解決了溢流壩較窄河床下游溢洪與消能防沖。然而到目前為止，針對河道下游沖刷的動定床試驗對比研究的理論成果還是很少，河道下游沖刷的動床、定床試驗研究的成果對于河道下游是否需要建立消力池有很大的研究價值。因此針對某實際工程建立水工物理模型進行試驗研究，對比動定床下游沖刷的情況而得出相應的結論具有一定的學術價值和實用意義。

2 工程概況及研究內容

2.1 工程概況

某工程水庫大壩是溢流壩型式，壩頂高程為560 m，壩河床建基面高程為520 m，上游河段長200 m，下游河道長400 m。溢流堰布置在大壩中部，堰頂高程550 m，堰上設5孔6 m×3 m(寬×高)的閘門，在堰上布置平板閘門。

2.2 研究內容

本文主要根據實際工程建立物理模型進行定床和動床的試驗研究，分別設置Q=800 m3/s、Q=1200 m3/s、Q=1600 m3/s三種工況，觀測下游定床和動床各斷面的流速變化情況。

3 模型試驗研究

4 試驗數據及結果

圖1 模型三維布置圖

模型試驗采用恒定流的試驗方法，以壩下500 m 處的水位測站作為模型水位的控制站。為控制和測量試驗河段的流速變化，在整個試驗河段以壩軸線為中心，在下游河道布置了3個固定流速測量斷面，模型三維布置如圖1所示。通過觀測溢流壩下游河道在兩種不同的工況下流速分布情況，分析下游河岸坡和河道是否需要修建消力池來滿足工程消能。在定床和動床條件下，利用模型上游庫首的矩形量水堰來控制模型試驗流量，針對流量分別為800 m3/s、1200 m3/s、1600 m3/s時，進行了相關水力學的試驗研究，為測試敞泄泄流定床和動床條件下下游流速矢量分布，在試驗模型的壩軸線下游布置的流速測量斷面分別距壩軸線下游100 m處、距壩軸線下游150 m處、距壩軸線下游200 m處；分別用數字表示下游3個流速觀測斷面，采用光電式旋槳流速儀測得下游各斷面流速分布情況。

4.1 定床試驗

在定床條件下(即假定下游河床在泄洪時不會發生沖刷變形)，由于挑射水流下泄的能量巨大，巨大的能量直接沖入下游河道，而下游河道又缺少相應的消能設施，致使下游河道水位較天然河道的水位有較大的下降，這種水位的下降，隨著下泄流量的增加而更加顯著，此時測得下游各斷面流速分布情況如表1所示。

表1 在定床條件時下游各斷面流速分布情況

試驗成果表明：定床條件下，當敞泄流量相同，斷面位置距離壩軸線下游處也相同時，不同觀測點處的相應的觀測流速也不同；當敞泄流量相同時，斷面位置距離壩軸線下游處越遠，相應的觀測流速也就越小；當斷面位置距離壩軸線下游處相同時，敞泄流量越大，對應的觀測流速也越大。另外由于挑射水流直接將巨大的能量導入下游，致使下游水位較低，河道里的流速極大，尤其壩下100 m范圍內流速普遍較大。

4.2 動床試驗

模擬動床試驗時，由于下游河道采用局部動床進行試驗，溢流壩泄洪時，挑射水流下泄的巨大能量使壩下河道地形發生了巨大的變化，也使壩下河道的沿程水位較天然河道水位形成了較大的調整，此時測得下游各斷面流速分布情況如表2所示。

表2 在動床條件時下游各斷面流速分布情況

試驗成果表明：局部動床條件下，在挑射水流巨大能量沖擊下，下游河道的地形發生了較大的變化，也使壩下河道的流速分布發生了較大的變化。動床條件下，當敞泄流量相同、斷面位置距離壩軸線下游處也相同時，不同觀測點處的相應的觀測流速不同；當敞泄流量相同時，斷面位置距離壩軸線下游處越遠，相應的觀測流速也就越小；當斷面位置距離壩軸線下游處相同時，敞泄流量越大，對應的觀測流速也越大。

5 結 論

(1)根據試驗結果發現，三種流量下的試驗，動床和定床下游流速有一定的差別，動床的各測點平均流速均小于定床的各測點平均流速，同時相對定床的流速波動比較小，動床能起到消能作用。

(2)在類似于此類工程中，為保護壩址穩定和河道不被沖刷，應該根據實際情況進行物理模型試驗，以此來確定是否需要在下游河道修建消力池。

(3)在實際工程案例中，無論是動床還是定床的下游流速都可以通過控制它的下泄流量來實現，進而可以調節到滿足實際情況的需求值。

[1] 常云華,楊敏. 上溝水電站溢流壩水工模型試驗報告[R]. 長春:長春工程學院水利與環境學院,2000.

[2] 曹剛. 白石水庫溢流壩消能型式研究[R]. 南京:河海大學水利水電工程學院,2006.

[3] 陳燦輝.黃蜂斗水電站溢流壩挑流消能試驗研究:“第十三屆全國水動力學研討會”論文集[C].北京:海洋出版社,1999.

[4] 姜國干,陳椿庭. 水工模型試驗[M]. 北京:水利電力出版社,l984．

[5] 毛野. 水工定床模型相似度的研究[J]. 水利學報,2002,33(7)：64-69．

[6] 夏毓常,張黎明. 水工水力學原型觀測與模型試驗[M]. 北京:中國電力出版社,1999．