磨壩峽水源工程泄洪沖沙中孔及出口窄縫消能設(shè)計(jì)

李 濤，但 穎

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.長(zhǎng)江水利水電開發(fā)集團(tuán)(湖北)有限公司，湖北 武漢 430010；3.國(guó)家大壩中心，湖北 武漢 430010)

1 工程概況

受2008年“5·12”汶川地震影響，甘肅省成縣城區(qū)供水設(shè)施受到不同程度的破壞，尤其是作為主要供水水源的青泥河孫家壩水源水質(zhì)進(jìn)一步惡化并危及到城區(qū)供水安全。為盡快恢復(fù)因汶川地震受損的城市供水基礎(chǔ)設(shè)施，保證成縣城區(qū)居民生產(chǎn)、生活用水安全，提高城區(qū)居民的身體健康水平，加快城市化建設(shè)步伐，促進(jìn)成縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，磨壩峽水源工程作為災(zāi)后恢復(fù)重建項(xiàng)目正式列入世行優(yōu)惠貸款項(xiàng)目的建設(shè)序列。磨壩峽水源工程由水庫(kù)，輸水線路及水廠等組成。

磨壩峽水庫(kù)位于南河主流沿河與支流二郎河的交匯下游200m處，壩址距成縣縣城11km，總庫(kù)容1790萬(wàn)m3，興利庫(kù)容1040萬(wàn)m3，正常蓄水位1092.68m，設(shè)計(jì)洪水位1096.38m，校核洪水位1098.52m，是一座以城市供水為主的年調(diào)節(jié)水庫(kù)。工程規(guī)模為Ⅲ等中型，主要建筑物為3級(jí)，其中碾壓混凝土重力壩提高一級(jí)按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物為4級(jí)。

樞紐主要建筑物包括碾壓混凝土重力壩、泄洪沖沙中孔、取水建筑物及管道等組成。大壩為碾壓混凝土重力壩，左、右岸布置非溢流壩中部設(shè)溢流壩，壩軸線長(zhǎng)136.50m，最大壩高91.4m，壩頂寬度10.0m。溢流壩段采用開敞式WES溢流面，下游采用挑流消能。溢流壩段右側(cè)布置泄洪沖沙中孔。取水建筑物布置于右壩肩，過(guò)水?dāng)嗝鏋閳A形，出口段由鋼筋混凝土管接2根圓形輸水壓力鋼管，下游設(shè)1分流管作為下游河道的生態(tài)基流。樞紐平面布置如圖1所示。

圖1 樞紐平面布置圖

2 泄水方案布置

磨壩峽水庫(kù)壩址以上多年平均徑流量為4352萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)、校核洪峰流量分別為865m3/s(P=2%)、1410m3/s(P=0.2%)。由于庫(kù)區(qū)天然洪峰來(lái)量較大，初步設(shè)計(jì)階段提出“重力壩溢流表孔+壩身泄洪沖沙孔”、“重力壩溢流表孔+右岸泄洪沖沙隧洞”兩種運(yùn)用方式。考慮到表孔對(duì)碾壓混凝土施工影響小、后期運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、工程投資省等優(yōu)點(diǎn)，但壩頂溢流表孔前緣寬度受河谷寬度限制，若采用無(wú)閘控制，其自身泄流能力無(wú)法滿足泄洪要求，同時(shí)結(jié)合沖沙需要，滿足重力壩下游河床防沖要求，需另設(shè)泄洪設(shè)施。

3 泄洪沖沙孔設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)《甘肅省成縣城區(qū)供水磨壩峽水源工程可行性研究報(bào)告》批復(fù)，結(jié)合大壩上下游地形地質(zhì)條件，導(dǎo)流隧洞等建筑物布置、溢流泄洪以及主河床消能防沖特點(diǎn)，并考慮如下4個(gè)因素：①泄洪出流避開溢流壩泄洪出流；②泄量和流速均較大，孔洞軸線布置盡可能平順；③采用的消能工措施應(yīng)減輕泄流對(duì)岸坡的不利影響，并利于下游河床兩岸邊坡的穩(wěn)定；④盡可能減少工程量，節(jié)省工程投資等因素，通過(guò)方案比選確定在碾壓混凝土重力壩靠右岸壩體內(nèi)布置泄洪沖沙中孔。

泄洪沖沙中孔緊鄰溢流壩段右側(cè)，主要由進(jìn)口段、孔身段、出口段和啟閉機(jī)房等組成，總長(zhǎng)46.93m。進(jìn)口段設(shè)工作和事故檢修平板鋼閘門，固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉。

進(jìn)口段設(shè)有壓進(jìn)水口，由喇叭口、閘門控制段、檢修平臺(tái)和啟閉機(jī)房組成。進(jìn)口孔底高程1042.0m，進(jìn)水口平面為喇叭形，總長(zhǎng)4.70m。工作閘門和事故檢修閘門門槽尺寸均為1.0m×4.7m，檢修門和工作門孔口尺寸均為3.5m×4.8m(寬×高)，工作閘門和事故檢修平板鋼閘門均由固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉。

孔身段斷面為矩形，過(guò)流斷面尺寸為3.5m×4.8m(寬×高)，總長(zhǎng)36.57m?？紤]到孔洞過(guò)流速度較大和出口挑流歸槽等因素，在離洞口8.83m處為起點(diǎn)設(shè)一平曲線，平面彎曲半徑26.8m，偏轉(zhuǎn)角為5°。

出口段斷面為矩形，總長(zhǎng)5.66m。采用挑流式消能，歸槽水流落入溢流壩下游消力池中。挑坎高程1043.6m，反弧豎曲線半徑為11m，中心角為37°，出口斷面尺寸為3.5m×4.72m(寬×高)。

在進(jìn)口段上部設(shè)工作閘門和事故檢修門檢修平臺(tái)和啟閉機(jī)房，為排式框架結(jié)構(gòu)，閘門檢修平臺(tái)高程1097.3m，啟閉機(jī)房室內(nèi)地面高程為1106.1m、層高3m。

3.2 泄流能力計(jì)算

3.2.1中孔水流流態(tài)判別

(1)無(wú)壓流至半有壓流的界限值確定與判別

根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》，當(dāng)H/a<1.2為無(wú)壓流，否則為半有壓流。

泄洪沖沙中孔孔洞底高程1042m，孔洞高a為4.8m，設(shè)計(jì)水位為1092.7m，即H/a=10.56>1.2；故在設(shè)計(jì)水位時(shí)泄洪沖沙中孔水流為有壓流。

(2)半有壓流與有壓流的界限值計(jì)算與判別

半有壓流與有壓流的界限值k2m的計(jì)算公式為：

(1)

半有壓流與有壓流判別：

當(dāng)H/a>k2m時(shí)為有壓流；

當(dāng)1.2

以中孔底高程為1042.0m為起點(diǎn)進(jìn)行試算，并確定半有壓流與有壓流界限水位值。經(jīng)計(jì)算可知：水位1047.76m為有壓與無(wú)壓流的臨界水位，水位1051.84m為有壓與半有壓流的臨界水位。當(dāng)水位低于1047.76m時(shí)為無(wú)壓出流，當(dāng)水位高于1051.86m時(shí)為有壓出流，當(dāng)水位位于1047.76～1051.86m之間時(shí)為半有壓出流。

3.2.2泄流能力計(jì)算

按水庫(kù)防洪調(diào)度要求，參與水庫(kù)調(diào)洪時(shí)的水位為設(shè)計(jì)水位，即當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)1096.38m時(shí)啟用泄洪沖沙中孔泄洪，根據(jù)以上判別中孔按有壓流進(jìn)行泄流能力計(jì)算。

泄流能力計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中，μ—流量系數(shù)；ω—出口斷面面積，m2；g—重力加速度，m/s2；H0—計(jì)算斷面上下游總水頭差，m。

泄洪沖沙中孔泄流能力計(jì)算成果見表1。

表1 泄洪沖沙中孔泄流能力

經(jīng)計(jì)算，在正常蓄水位時(shí)啟用泄洪中孔，其挑距約70m，離壩腳有一定安全距離。

4 泄洪沖沙中孔設(shè)計(jì)及試驗(yàn)優(yōu)化

磨峽壩水源工程所處天然河道狹窄(寬約30m)，基巖為灰?guī)r，抗沖流速較小，溢流壩泄洪沖刷引起的壩體穩(wěn)定、兩岸山體邊坡的穩(wěn)定以及泄洪沖沙中孔泄洪對(duì)狹窄河道的對(duì)岸頂沖等消能防沖問(wèn)題較為復(fù)雜，單獨(dú)泄流及聯(lián)合泄流的相互影響依據(jù)水力學(xué)計(jì)算無(wú)法能夠滿足規(guī)范要求，往往通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，為了找出精準(zhǔn)射流落點(diǎn)區(qū)域，保證工程安全運(yùn)行及節(jié)約投資，我公司委托長(zhǎng)江科學(xué)院進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，對(duì)磨峽壩水源工程溢流壩和泄洪中孔的泄流能力、消能防沖效果以及溢流壩和泄洪中孔自身的空蝕等問(wèn)題進(jìn)行專門試驗(yàn)研究，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容和目的，按重力相似準(zhǔn)則并保證原型和模型的幾何相似，模型比尺為1∶70，整個(gè)模型包括上游水庫(kù)500m范圍、溢流壩表孔、泄洪沖沙中孔及下游800m河道。在中孔的特征位置布置了5個(gè)水尺測(cè)點(diǎn)和33個(gè)時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)。本試驗(yàn)按模型砂石散粒體抗沖流速與原型河床基巖抗沖流速相似的方法研究泄洪消能防沖問(wèn)題。

4.1 設(shè)計(jì)方案及模型試驗(yàn)成果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的初步方案，泄洪沖沙中孔設(shè)計(jì)泄洪流量為353m3/s，工作閘門為平板閘門，布置于中孔的進(jìn)口前端；孔底高程1042m，孔身標(biāo)準(zhǔn)斷面為3.5m×4.0m(寬×高)；洞身在平板閘門后發(fā)生平面轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑為26.4m，轉(zhuǎn)彎角度14°，出口采用常規(guī)挑流消能。

模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：中孔出射水舌橫向擴(kuò)散擴(kuò)散不充分，落水點(diǎn)右側(cè)離右岸護(hù)坡約8m，左側(cè)撞擊溢流壩的右邊墻，并與溢流壩下泄水舌重疊，消能防沖效果不理想。中孔的平面轉(zhuǎn)彎段內(nèi)側(cè)壁和出口段洞頂壁面均存在空化空蝕的可能。

4.2 模型試驗(yàn)優(yōu)化

根據(jù)初步試驗(yàn)反饋意見，設(shè)計(jì)人員將中孔出口頂面改成壓坡，出口尺寸變成3.5m×2.8m；在泄洪中孔有壓段后增加一明流段，采用窄縫消能工，中孔出口及窄縫消能工體型尺寸如圖2所示，優(yōu)化后的水流流態(tài)如圖3所示。

圖2 中孔出口及窄縫消能工體型尺寸

圖3 優(yōu)化方案水流流態(tài)

根據(jù)模型試驗(yàn)成果計(jì)算設(shè)計(jì)水位條件下，聯(lián)合泄洪的泄量為892m3/s，較設(shè)計(jì)值偏大3.1%，其中中孔泄量249m3/s。校核水位1098.52m下，聯(lián)合泄洪的泄量為1571m3/s，較設(shè)計(jì)值偏大11.4%，其中中孔泄量257m3/s。在各級(jí)流量下，采用窄縫消能工可使泄洪沖沙中孔的出口水流縱向拉伸，水流落點(diǎn)分散。在設(shè)計(jì)流量條件下，水舌入水區(qū)范圍距壩腳9.0～70.0m，距右岸護(hù)坡的范圍6.3～9.8m。在校核流量條件下，水舌入水區(qū)范圍距壩腳10.5～91.0m，距右岸護(hù)坡的范圍6.7～12.0m。

經(jīng)方案優(yōu)化以后，中孔沿程各點(diǎn)的時(shí)均壓力均得到提高，水流空化空蝕特性得到大幅改善。在設(shè)計(jì)流量條件下，中孔斷面平均流速由原來(lái)的25m/s降低至17.8m/s，中孔孔身水流空化數(shù)均大于2.0。由于泄洪中孔平面轉(zhuǎn)彎半徑較小、轉(zhuǎn)角較大，在閘門啟閉過(guò)程中出現(xiàn)洞內(nèi)明流折沖和螺旋水流現(xiàn)象，以致窄縫消能工水舌左右搖擺，可能沖擊右岸邊坡；而且高速螺旋水流在明流方洞段極易產(chǎn)生空化空蝕。因此，需對(duì)泄洪中孔的平面布置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并對(duì)臺(tái)階溢流壩的邊墻布置進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 新中孔設(shè)計(jì)方案及模型試驗(yàn)成果

鑒于上次泄洪沖沙中孔布置上存在的問(wèn)題，結(jié)合洞身尺寸偏大等因素，對(duì)泄洪沖沙中孔再次進(jìn)行調(diào)整，主要針對(duì)明滿交替流段的洞身平面轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)角及出口窄縫消能工等。新中孔方案的主要參數(shù)為：洞身標(biāo)準(zhǔn)斷面3.0m×4.4m(寬×高)，進(jìn)口前13.60m洞身與壩軸線正交，后接半徑135.00m的平面圓弧段，轉(zhuǎn)角7°，圓弧后接長(zhǎng)15.64m的有壓直段，出口頂部加壓坡后斷面尺寸為3.0m×3.8m(寬×高)，壓坡坡比1∶6；有壓段出口后接長(zhǎng)6.65m的直段明槽，再接窄縫收縮段，窄縫出口寬度為1.40m，左側(cè)邊墻末端距明槽中心線1.05m，右側(cè)邊墻末端距明槽中心線0.35m；明槽及窄縫段邊墻高度7.70m。

模型試驗(yàn)成果表明在設(shè)計(jì)水位條件下，聯(lián)合泄洪的泄量為937m3/s，較設(shè)計(jì)值892m3/s偏大8.3%，其中中孔泄量279m3/s。在校核水位條件下，聯(lián)合泄洪的泄量為1613m3/s，較設(shè)計(jì)值1410m3/s偏大14.4%，其中中孔泄量290m3/s。

鑒于泄洪沖沙中孔的模型糙率比實(shí)際要求的糙率偏大約15%，初步估算泄洪中孔的實(shí)際泄量將增大3%～5%。因此中孔的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，聯(lián)合泄洪能力比設(shè)計(jì)值大5%～6%。本方案模型試驗(yàn)也顯示中孔出口窄縫水舌縱向拉開充分，中孔水舌在距壩腳26.6～71.4m的范圍落入下游河道，水舌落水點(diǎn)范圍距右岸護(hù)坡10.2～15.8m。在校核流量條件下，中孔水舌入水范圍距壩腳25.2～73.5m，水舌落點(diǎn)范圍距右岸護(hù)坡9.1～15.4m。在設(shè)計(jì)和校核流量條件下，聯(lián)合過(guò)洪時(shí)的中孔各測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓力及水流空化數(shù)中孔所有位置均未出現(xiàn)負(fù)壓，測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓力均在6.0×9.81kPa以上；除有壓洞尾部壓坡段外，包括門槽段在內(nèi)的其它部位的水流空化數(shù)均在1.0以上，表明該中孔體型方案較好地解決了洞身的空化空蝕問(wèn)題。在設(shè)計(jì)流量條件下，下游河床沖刷最低高程為1017m，位于距離壩腳約61m的河道中心；護(hù)坦上有大量砂石堆積，距壩腳20m以后靠右岸更為明顯，淤積最大高程為1025m；離壩腳108m以后的河床全斷面淤積，淤積長(zhǎng)度約60m，平均淤高5m。在校核流量條件下，下游河床沖刷最低高程為1015m，位于距壩腳約70m的河道中心；護(hù)坦上離壩腳10.5m以后靠右側(cè)2/3的范圍內(nèi)有大量砂石淤積，淤積最大高程1026m。離壩腳120m以后的下游河床靠左岸大范圍淤積，沿河道縱向淤積長(zhǎng)度約54m，平均淤高5m；河道右岸邊淘刷較嚴(yán)重，形成沖刷溝，沖溝最低高程1024m。

本次模型試驗(yàn)研究了溢流壩和泄洪中孔分別單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的下游沖淤情況。流量276m3/s時(shí)中孔單獨(dú)泄洪所形成的下游河床沖淤形態(tài)如圖4所示。在給定流量條件下，中孔單獨(dú)運(yùn)行在下游河床形成的最低沖刷高程為1017m，位于距壩腳約63m的河心位置。護(hù)坦上沒(méi)有砂石淤積，離壩腳103m以后的左側(cè)河道淤積，淤積寬度20～30m，長(zhǎng)度約60m，最大淤積高程1035m。

圖4 中孔單獨(dú)泄洪的下游沖淤形態(tài)

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、科研人員的多次調(diào)整優(yōu)化，本次水工模型試驗(yàn)獲得了比較好的效果，最終確定的泄洪沖沙中孔結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 泄洪沖沙孔結(jié)構(gòu)布置圖

5 施工及運(yùn)行的情況

磨壩峽水源工程初設(shè)批復(fù)總投資約2.03億元，工程于2013年10月開工，2017年10月底進(jìn)行了下閘蓄水驗(yàn)收。2019年7月進(jìn)行了合同完工驗(yàn)收。運(yùn)行至今已有5年時(shí)間，消能效果良好。

6 結(jié)語(yǔ)

甘肅成縣磨壩峽水源工程所處河谷狹窄，采用溢流表孔+壩身泄洪沖沙孔的運(yùn)用方案。泄洪沖沙中孔承擔(dān)著水庫(kù)泄洪和沖沙的功能，對(duì)保障工程建成后的安全運(yùn)行具有重要作用，通過(guò)水工模型試驗(yàn)的方法對(duì)泄洪沖沙中孔泄流和出口窄縫消能的開展了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅改善了孔身壓力特性，減小了發(fā)生空蝕的可能性，也較好的解決了中水頭、狹窄河床和陡高岸坡特點(diǎn)消能防沖問(wèn)題以及減少對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定及兩岸建筑物的影響，可為同類工程提供借鑒參考。