蘇巴什水庫泄水建筑物消能防沖優化試驗研究

李 鶴，李玉建，俞曉偉，張紅紅，李 捷

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

大型水利樞紐工程的修建可有效解決水資源短缺、時空分布不均，改善生態環境，促進經濟發展，具有重要的民生意義[1]。近些年，隨著大型水利樞紐工程建設的逐漸增多，有關消能防沖的問題也逐漸引起了人們的關注，成為水利水電工程建設中必須要解決的重大技術問題[2]。為了滿足工程安全運行的需要，科研工作者開展了大量的水工模型試驗研究，為工程的設計提供了可靠的依據。

蘇巴什水庫位于新疆阿克蘇地區柯坪縣境內的蘇巴什河上，屬于山區攔河式水庫工程。工程于2017年建成運行，2019年9月度汛期間，受洪水沖刷影響，泄水建筑物聯合消力池出口護坦段末端下部基礎被掏空，下游河道整治段河床出現明顯下切現象，右岸擋墻發生傾斜[3]。基于泄水閘下游主流集中于右岸，對右岸邊墻及下游河床沖刷嚴重的現象，進行不同的消能防沖方案比選，通過觀測泄水閘下游水流流態、斷面平均流速及護坦出口處沖刷特性，提出增設連續消力坎消除出閘水流偏流、主流集中、降低護坦出口流速提高消能率以減少沖刷的目的，為設計提供科學合理的除險加固建議。

1 工程概況

蘇巴什水庫位于新疆阿克蘇地區柯坪縣境內的蘇巴什河上，壩址位于柯坪縣城西北約10km的蘇巴什河出山口處，屬于山區攔河式水庫工程，流域面積4428km2，徑流量0.6883億m3，灌溉面積1.33萬hm2，具有灌溉、防洪綜合利用任務，為Ⅲ等中型工程[4]。水庫由擋水建筑物和泄水建筑物組成，擋水建筑為混合壩，其中左岸及主河床段為混凝土面板壩，壩段長351m，右岸為混凝土重力壩，壩段長49m，最大壩高均為35.5m；泄水建筑物包括表孔溢洪道和泄洪沖砂底孔，其控制段均集中布置在混凝土壩段上，控制段下游為聯合消力池段、反坡尾坎段、混凝土護坦段、下游河道整治段及交通橋下游防沖齒墻段。泄水建筑物平面布置圖如圖1所示。

2 模型試驗設計

2.1 模型試驗范圍

模型試驗范圍包括縱向范圍和橫向范圍。縱向試驗范圍為：表孔溢洪道和泄洪沖砂底孔控制段、聯合消力池段、反坡尾坎段、砼護坦段、下游河道整治段及交通橋下游防沖齒墻后10m，總長度347.598m；橫向試驗范圍為：表孔溢洪道和泄洪沖砂底孔控制段寬34m，聯合消力池段寬33m，下游河道整治段寬和交通橋下游防沖齒墻寬104.6m。

模型試驗平面布置圖如圖2所示。

圖1 泄水建筑物平面布置圖

圖2 模型試驗平面布置圖

2.2 模型比尺

根據SL 155—2012《水工(常規)模型試驗規程》[5]，結合重力相似準則，根據試驗內容、供水以及場地等條件，同時考慮到表孔溢洪道尺寸，模型試驗幾何比尺選定為40。模型設計中相關物理量比尺見表1。

試驗模型根據原型結構尺寸，嚴格按照幾何比尺縮制，其中表孔溢洪道、泄洪沖砂底孔、聯合消力池、護坦等泄洪建筑物采用有機玻璃制作，河道整治段采用聚氯乙烯板制作，下游動床采用天然沙制作。

3 消能防沖試驗分析

針對消力池內主流集中于右岸、右岸邊墻和下游河道整治段沖刷嚴重問題，觀測泄水建筑物下游水流流態、斷面平均流速及護坦出口處沖刷特性，進行不同布置型式下的消能防沖方案比選，得出能有效改善水流流態、增強消力池消能效果、降低護坦出口流速、減輕河床沖刷的最佳布置方案。

3.1 試驗工況

蘇巴什水庫消能防沖建筑物設計洪水標準為20a一遇，其對應的入庫洪峰流量550m3/s，下泄流量198m3/s。但由于水庫淤積，庫容減小，調蓄能力減弱，2019年汛期，蘇巴什水庫入庫洪峰流量488m3/s，在還未達到20a一遇設計洪水標準時，水庫已經出現超泄，其中最大下泄流量為350m3/s，在水庫泄洪過程中，聯合消力池出口至下游交通橋之間河道整治段河床出現明顯沖刷破壞，綜合考慮水庫的實際情況，模型試驗泄水建筑物和下游河道整治段的消能與防沖能力最終按350m3/s進行復核。

表1 模型的主要比尺關系

3.2 輔助消能試驗方案比選

試驗采用挑流扭坎、導向坎、導流坎、消力坎等不同輔助消能方案進行組合，通過改變長度、角度、高度、位置等不同布置參數，觀察每一種參數組合下的水流流態和護坦出口處平均流速，采用有效參數組合進行試驗研究。

試驗發現，挑流扭坎結合消力坎方案可有效將水流導向中部及左岸，但不利于安全穩定運行；導向坎結合消力坎方案可有效改善水流流態，并降低護坦出口處流速，但該結果是基于導向坎高度較高條件，當導向坎高度較低時會被消力池完全淹沒，消能效果不顯著。考慮到挑流扭坎對安全運行的影響和導向坎高度受工程限制等因素，同時結合試驗的觀測資料，對以上2個方案進行優化，進行只設置消力坎的多種不同布置型式試驗。

3.3 消力坎試驗方案分析

通過改變消力坎數量、位置、體型等影響參數，進行多種參數組合，觀測每一種參數組合下的水流流態和護坦出口處平均流速，選取4組情況較好的方案進行對比分析，見表2。

表2 消力坎試驗典型方案

根據試驗結果，綜合考慮，選定方案4為最優方案，該方案下水流撞擊消力坎有翻越現象，消能效果明顯，主流流經消力池段后，遠離右岸，向中部及左岸偏移，水流均勻分布，流態改善情況較好，最后一道消力坎繞坎中心垂線旋轉10°時可使混凝土護坦段水流分布均勻，有效降低下游護坦出口處水流流速，減緩下游沖坑沖刷嚴重的情況。

3.4 方案優化

結合現場施工因素，對最優布置方案4進行了進一步的優化，將連續消力坎中最后一道消力坎樁號位置由0+116.0m處移至0+114.5m處，經試驗，該方案對護坦出口處平均流速影響不大。優化方案參數設置見表3，具體平面布置如圖3所示，水流流態如圖4所示。

表3 最終優化方案參數設置

圖3 最終優化方案平面布置圖

3.5 河道整治段動床試驗

3.5.1沖料粒徑計算

為進一步摸清楚蘇巴什水庫泄水對下游河道的影響，河道整治段采用了動床模擬實驗，沖坑的形成模擬采用散粒體法，依照給定的河床抗沖流速，由伊茲巴斯公式計算沖料粒徑[6]：

(1)

式中，Vs—抗沖流速，m/s;K—經驗系數，其取值范圍一般為5～7m/s。

圖4 最終優化方案各特征部位水流流態

由蘇巴什水庫地質勘察報告可知：河床表層5m厚砂礫石層Vs=0.4m/s，中層5m厚礫巖Vs=2.5m/s，下層灰巖Vs=5m/s[7]。由式(1)取K=6m/s計算可得模型沖料粒徑分別為0.11、4.34、17.36mm，實際模型沖料粒徑范圍為表層12.5cm厚0.1～0.2mm、中層12.5cm厚4.0～5.0mm、底層15～20mm。

3.5.2動床沖刷模擬

蘇巴什水庫動床沖刷模擬按泄水建筑物最大下泄流量350m3/s進行，共模擬2種工況，工況1基于泄水建筑物現狀體型下，工況2基于最終優化方案。每種運行工況下游動床沖刷試驗均保持沖刷歷時5h以上，即原型約為31h。

工況1：在泄水建筑物現狀體型下，隨著流量的增加，沿程水流主流始終偏于右岸，消力池段內出現局部回流現象，消力池末端至護坦末端亦出現不同程度上的折沖水流，水流流態較亂。隨著流量的持續加大，達到最大下泄流量350m3/s時，消力池消能效果明顯欠佳，右岸邊墻以及河道整治段出現明顯的局部沖刷現象，靠近右邊墻部位和交通橋防沖齒墻附近沖刷嚴重，護坦出口處最大沖坑深度為10.6m，下游交通橋防沖齒墻處最大沖坑深度為9.6m，。沖刷后地形如圖5所示。

工況2：在增加連續消力坎后可有效降低下游護坦出口處水流流速，減緩下游沖坑沖刷嚴重程度，使得沖坑范圍減小，并將底孔泄洪沖砂閘沿右側邊墻的集中束流導向河道中部偏左岸。其中，護坦出口處最大沖坑深度為8.22m，下游交通橋防沖齒墻處最大沖坑深度為7.70m，沖刷后地形如圖6所示。

4 結論與建議

結合新疆柯坪縣蘇巴什水庫工程泄水建筑物現狀進行消力池消能防沖優化試驗，得出以下結論與建議。

(1)挑流扭坎可起到導流作用，但不能有效降低護坦末端流速，消能效果不明顯；導向坎可加大水流碰撞，過流斷面流速、水深分布均勻，結合消力坎消能，大幅度降低護坦出口流速，但由于其高度受到實際工程限制，故取消導向坎的設置；消力坎主要起到增加消力池池深的作用，加大池內水流碰撞翻滾，池內明顯形成水流撞擊、回流等現象，消能效果良好。

圖5 工況1下游河道整治段沖坑地形

圖6 工況2下游河道整治段沖坑地形

(2)原方案未設置輔助消能工時，僅靠底流式聯合消力池自身消能，消能效果不理想，泄水建筑物下游主流集中于右岸，對右岸邊墻和下游河床沖刷嚴重；最終優化方案下水流撞擊消力坎有翻越現象，消能效果明顯，主流流經消力池段后，遠離右岸，向中部及左岸偏移，水流均勻分布，流態改善情況較好，最后一道消力坎繞坎中心垂線旋轉10°時可使護坦段水流分布均勻，有效降低下游護坦出口處水流流速，減緩下游沖坑沖刷嚴重的情況。