和川引水樞紐優(yōu)化設(shè)計(jì)控制投資試驗(yàn)分析

王大力 馬濤

摘 要：采用水力學(xué)計(jì)算分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對和川引水樞紐工程初步設(shè)計(jì)方案調(diào)整后的泄洪底孔及消力池的水流特性進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)調(diào)整的可行性，對調(diào)整后工程投資節(jié)約情況進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明：初步設(shè)計(jì)方案調(diào)整后，工程在設(shè)計(jì)流量和校核流量下，試驗(yàn)測得的庫水位皆略低于水力學(xué)計(jì)算得到的水位值，說明調(diào)整后的設(shè)計(jì)泄流偏于安全。消力池的3種方案在九孔工作閘全開運(yùn)行時，消能效果相差不大;但在三孔工作閘全開運(yùn)行時，可能出現(xiàn)局部沖刷問題，綜合分析水流流速、水位、施工難度、工程造價(jià)等因素，消力池方案推薦在1.5 m深的消力池基礎(chǔ)上將尾坎加高0.5 m，其他同原方案;在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過計(jì)算可知，設(shè)計(jì)方案調(diào)整后可使工程投資節(jié)約662萬元。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì);模型試驗(yàn);投資控制;和川引水樞紐

中圖分類號：F282;TV222 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.026

Abstract： This treatise simulated and studied the flow characteristics of the flood discharge bottom outlet and stilling basin after the adjustment of the preliminary design scheme of Hechuan Water Diversion Project， adopted the research method of combining hydraulic calculation analysis with model test， verified the feasibility of design adjustment， calculated and analyzed the project investment saving after adjustment. The results show that after the adjustment of the preliminary design scheme， when the project is under design flow and check flow， the water level measured in the experiment is slightly lower than that calculated by hydraulics， it shows that the designed discharge after adjustment is safe. When the nine discharge service gates are fully open， the three schemes of stilling basin have little difference in energy dissipation effect. However， when the three discharge service gates are fully open， local scour may occur. Comprehensive analysis of flow velocity， water level， construction difficulty， project cost and other factors， in the stilling basin scheme， it is recommended to increase the tail sill by 0.5 metres on the foundation of 1.5 metres deep stilling basin， others are the same as the original scheme. On this basis， the calculation shows that， after the adjustment of the design scheme， it can save the project investment by 6.62 million Yuan.

Key words： optimal design; model test; investment control; Hechuan Water Diversion Project

在工程建設(shè)過程中，項(xiàng)目建議書、可行性研究報(bào)告和初步設(shè)計(jì)等前期工作是項(xiàng)目決策者宏觀調(diào)控的依據(jù)，而工程設(shè)計(jì)是決定整個項(xiàng)目投資的直接因素。為了節(jié)約工程投資，項(xiàng)目管理方必須認(rèn)真審查設(shè)計(jì)方案，要求設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而最大限度節(jié)約項(xiàng)目投資。

1 工程概況

山西省引沁入汾和川引水樞紐工程位于山西省臨汾市安澤縣和川鎮(zhèn)嶺南村東的沁河干流上，是一座以城市及工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有防洪等綜合利用的水利樞紐工程，總庫容1 756萬m3，工程概算總投資10 954.6萬元，對于解決臨汾汾東地區(qū)城市生活及工農(nóng)業(yè)用水緊張問題及汾河水生態(tài)修復(fù)具有重要的作用。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)分析

2.1 原設(shè)計(jì)樞紐布置方案

和川引水樞紐由非溢流壩、泄洪排沙底孔等建筑物組成。大壩壩頂全長235 m，壩頂高程900 m，最大壩高27 m，大壩自左向右共分為11個壩段，依次為左岸非溢流壩段（1#～4#壩段）、泄洪排沙洞壩段（5#～8#壩段）及右岸非溢流壩段（9#～11#壩段）。其中泄洪排沙底孔壩段總長97.5 m，泄洪排沙底孔共分12孔，每3孔為一壩段，孔口尺寸為4.5 m×4.5 m，洞底高程均為884 m，為壓力短進(jìn)口型式的無壓壩身泄水孔。上游側(cè)布置事故檢修平板鋼閘門，工作閘門布置在下游側(cè)，為弧形鋼閘門，啟閉機(jī)房設(shè)在壩頂下游側(cè)。孔身為鋼筋混凝土矩形槽結(jié)構(gòu)，后接矩形消力池，池長41 m，池深3.5 m[1]。

2.2 原設(shè)計(jì)方案調(diào)整原因

（1）初設(shè)階段的泄洪排沙底孔進(jìn)口底高程為884 m，而河道現(xiàn)狀高程為881 m左右，若按884 m進(jìn)行施工期洪水調(diào)節(jié)，需要布置4個底孔，導(dǎo)流工程在現(xiàn)有河道布置非常困難，進(jìn)口底高程降至881 m后，施工期布置3個底孔就能滿足導(dǎo)流泄洪要求，導(dǎo)流工程布置簡單，可保證施工進(jìn)度。

（2）初設(shè)階段的泄洪排沙底孔消力池消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇，基于對規(guī)范的理解和從偏于安全考慮，設(shè)計(jì)偏于保守。

（3）工程開工時較初設(shè)階段材料價(jià)格上漲較大，給工程建設(shè)順利進(jìn)行造成很大的資金壓力[2]。

2.3 方案調(diào)整主要內(nèi)容

（1）泄洪排沙底孔進(jìn)口底高程由884 m降至881 m，孔數(shù)由12孔減少為9孔。

（2）泄洪排沙底孔消力池消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)由500 a一遇變?yōu)?0 a一遇，消力池長度由41 m變?yōu)?0 m，深度由3.5 m變?yōu)?.5 m。

（3）泄洪排沙底孔事故檢修閘門啟閉設(shè)備由2臺2X400 kN臺車變?yōu)?臺2X400 kN門機(jī)，事故檢修門由3扇變?yōu)?扇。泄洪排沙底孔工作閘門啟閉設(shè)備由250 kN卷揚(yáng)式啟閉機(jī)變?yōu)?30 kN卷揚(yáng)式啟閉機(jī)[2]。

2.4 方案調(diào)整的可行性驗(yàn)證

通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案調(diào)整的科學(xué)合理性[3-7]，并將試驗(yàn)結(jié)果與水力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

2.4.1 方案調(diào)整后的泄洪底孔泄流能力試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）庫水位與泄流量關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果。9孔泄洪洞工作閘全開時不同庫水位下的泄流量試驗(yàn)結(jié)果見表1。

（2）庫水位與泄流量關(guān)系的水力學(xué)計(jì)算結(jié)果。泄流量qv計(jì)算公式[8]為式中：n為泄洪洞孔數(shù);μ為流量系數(shù)（取0.893）;ε為側(cè)收縮系數(shù)（取0.914）;h2為泄洪洞有壓段末端凈高（取4.5 m）;H為上游水位與洞底高程之差（設(shè)計(jì)工況下為11.09 m，校核工況下為17.43 m）;B為泄洪洞凈寬（取4.5 m）;g為重力加速度。

9孔泄洪洞工作閘全開時不同庫水位下的泄流量水力學(xué)計(jì)算結(jié)果見表2。

（3）試驗(yàn)結(jié)果反算得到流量系數(shù)。對試驗(yàn)結(jié)果反算得到在設(shè)計(jì)和校核工況下工作閘全開時的流量系數(shù)，見表3。

水力學(xué)計(jì)算時，沒有區(qū)分邊孔和中孔，也未考慮孔數(shù)的影響，一律取流量系數(shù)為0.893[9]。從試驗(yàn)結(jié)果看：試驗(yàn)實(shí)測的流量系數(shù)略高于0.893，孔數(shù)和孔的位置對流量系數(shù)有一定的影響，對稱孔泄流時流量系數(shù)略小，即試驗(yàn)測得的庫水位皆略低于水力學(xué)計(jì)算得到的水位值。

2.4.2 不同池深消力池的消能效果試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種方案，分別為：①消力池長20 m，池深1.5 m;②消力池長20 m，將消力池下挖0.5 m，池深變?yōu)?.0 m;③消力池長20 m，在池深1.5 m的基礎(chǔ)上，將尾坎加高0.5 m，池深變?yōu)?.0 m。試驗(yàn)時在設(shè)計(jì)工況下，對3種消力池方案3孔和9孔泄洪底孔工作閘全開時各部位不同水位下的流速[10-12]進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

可以看出，在9孔泄洪底孔工作閘全開時，各部位流速變化不大，且3種消力池方案的流速相差不大;但在3孔泄洪底孔工作閘全開時，1.5 m深消力池的各部位流速變化較大。方案①在海漫中部及河道進(jìn)口流速較后兩種方案的大，可能產(chǎn)生沖刷問題。

2.4.3 試驗(yàn)最終結(jié)論

（1）9孔工作閘全開運(yùn)行時在設(shè)計(jì)和校核工況下，試驗(yàn)測得的庫水位皆略低于水力學(xué)計(jì)算得到的水位值，說明調(diào)整后的設(shè)計(jì)泄流偏于安全。

（2）本試驗(yàn)進(jìn)行了3種消力池方案的消能效果測試，3種情況下消力池內(nèi)都形成了水躍，9孔工作閘全開運(yùn)行時各部位水深和流速變化不大，且3種消力池相差也不大。但在3孔工作閘全開運(yùn)行時，1.5 m深消力池的各部位水深和流速變化較大，且在護(hù)坦上出現(xiàn)較高水位，在海漫中部及水流進(jìn)入下游河道處流速較大，可能產(chǎn)生局部沖刷問題。綜合分析水流流速、水位、施工難度、工程造價(jià)等，消力池設(shè)計(jì)建議采用方案③，即在1.5 m深消力池基礎(chǔ)上將尾坎加高0.5 m，其他設(shè)計(jì)不變。

（3）試驗(yàn)中未出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象，壓力洞段也未出現(xiàn)負(fù)壓。

由水工模型試驗(yàn)結(jié)果可知，對原設(shè)計(jì)方案的調(diào)整在技術(shù)上是可行的。

3 設(shè)計(jì)調(diào)整后節(jié)約投資情況

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后節(jié)約投資情況見表5。可見，通過設(shè)計(jì)方案調(diào)整，可使工程投資節(jié)約662萬元，在工程建設(shè)項(xiàng)目前期階段，項(xiàng)目管理方和設(shè)計(jì)方可通過對單個或多個分部工程和單元工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)約投資的目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)是項(xiàng)目投資控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4 結(jié) 語

采用水力學(xué)計(jì)算分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對和川引水樞紐工程初步設(shè)計(jì)方案調(diào)整后的泄洪底孔及消力池的水流特性進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性，經(jīng)過計(jì)算可知，設(shè)計(jì)方案調(diào)整可使工程投資節(jié)約662萬元。由此可見，在工程建設(shè)項(xiàng)目前期階段，通過對單個或多個分部工程和單元工程進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)約投資的目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)是項(xiàng)目投資控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時，必須對調(diào)整方案進(jìn)行科學(xué)論證，保證工程的安全性及合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 臨汾市水利水電勘測設(shè)計(jì)院.臨汾市引沁入汾和川取水輸水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].臨汾：臨汾市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，2007：145-155.

[2] 臨汾市水利水電勘測設(shè)計(jì)院.山西省引沁入汾和川引水樞紐工程初步設(shè)計(jì)局部方案調(diào)整報(bào)告[R].臨汾：臨汾市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，2008：3-6.

[3] 中華人民共和國水利部.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL319—2005[S].北京：中國水利水電出版社，2005：42-48.

[4] 江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)院.水閘設(shè)計(jì)規(guī)范：SL265—2001[S].北京：中國水利水電出版社，2001：4-5.

[5] 中華人民共和國水利部.水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)：SL252—2000[S].北京：中國水利水電出版社，2000：7-12.

[6] 麥家煊.水工建筑物[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：35-40.

[7] 馬建明.江河防洪模擬軟件系統(tǒng)幾個關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2003：55-60.

[8] 許唯臨，楊永全，吳持恭.具有起伏表面的紊流數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，1990，21（10）：16-22.

[9] 楊永全，許唯臨.水墊塘淹沒射流的數(shù)值模擬[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展，1991，6（4）：36-44.

[10] 倪浩清，沈永明，陳惠泉.深度平均的k-ε紊流全場模型及其驗(yàn)證[J].水利學(xué)報(bào)，1994，25（11）：8-17.

[11] 張莊，周同明.溢流壩反弧段紊動水流的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，1994，25（6）：31-36.

[12] 王艷明，陳永燦，冬俊瑞.高壩挑流沖坑流場的數(shù)值模擬[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展，1995，10（2）：125-134.

【責(zé)任編輯 張華巖】