卓 淳 馬建偉 趙 俐

（廣西桂林市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 廣西桂林 541001）

1 工程概況

桂林市川江水利樞紐是桂林市防洪及漓江補(bǔ)水樞紐工程之一，位于漓江上游支流川江上，工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)是以城市防洪和生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水為主，結(jié)合發(fā)電等綜合利用。工程防洪保護(hù)對(duì)象主要為桂林市城區(qū)，兼有對(duì)漓江沿岸的防洪減災(zāi)作用；工程枯水期向漓江補(bǔ)水，是實(shí)施漓江生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水的重要水源工程。

川江水利樞紐攔河壩為碾壓混凝土重力壩，由左岸非溢流壩段、右岸非溢流壩段和溢流壩段組成。壩頂總長(zhǎng)259m，壩頂高程278.00m，壩頂寬8m，最大壩高83m。（大壩下游立視見(jiàn)圖1）攔河壩上游面210.00m高程以上為鉛直面，220.00m高程以下壩坡為1∶0.2。左、右岸非溢流壩段下游壩坡為1∶0.8，起坡點(diǎn)高程270.00m，270.00m高程以上為鉛直面。

溢流壩段位于大壩中部靠左岸，長(zhǎng)34.0m，布置2個(gè)表孔和1個(gè)中孔聯(lián)合泄洪。表孔采用開(kāi)敞式WES型實(shí)用堰，堰頂高程266..00m，每孔凈寬10m，堰面曲線為Y＝0.09478X1.836，溢流壩段下游面坡度為1∶0.8。溢流壩泄洪采用挑流消能型式，反弧段半徑為25m，挑射角25°，鼻坎高程226.34m。堰頂設(shè)弧形工作閘門。中孔布置在表孔中墩下部，進(jìn)口底高程244.00m，孔寬4.0m，底坡i＝0，進(jìn)口段頂曲線采用橢圓曲線，進(jìn)口底部前沿為圓弧曲線，半徑2m，進(jìn)口兩側(cè)前沿為橢圓曲線，平板事故檢修閘門設(shè)在進(jìn)口段之后，孔口尺寸為4.0×5.5m （寬×高），出口端設(shè)壓坡段，坡度為1∶4，后接弧形工作閘門，閘門孔口尺寸為4.0×4.5m （寬×高）。溢流壩段表孔邊墩厚度為2.5m，中墩厚9.0m。

水庫(kù)正常蓄水位為274.00m，設(shè)計(jì)洪水位 （P＝1%）275.00m，防洪高水位為275.00m，校核洪水位為 （P＝0.1%）275.17m，汛限水位263。31m，發(fā)電死水位為244.00m，水庫(kù)死水位為230.00m。在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的最大下泄流量為598m3／s，相應(yīng)下游水位214.64m，校核洪水位時(shí)最大 下 泄 流 量 為 1463.5m3／s，相 應(yīng) 下 游 水 位217.18m；中孔在汛限水位263.30m時(shí)的下泄流量不小于100m3／s。30年一遇洪水時(shí)下泄流量為474m3／s，相應(yīng)下游水位為214.17m。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本試驗(yàn)擬通過(guò)水工斷面模型試驗(yàn)及整體模型試驗(yàn)，研究泄水建筑物流態(tài)、泄流能力、體型優(yōu)化、消能效果、下游河床沖刷和防護(hù)措施，驗(yàn)證樞紐布置方案的合理性，并針對(duì)試驗(yàn)中存在問(wèn)題提出修改意見(jiàn)，為初步設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

中孔斷面模型試驗(yàn)?zāi)康臑椋貉芯恐锌走M(jìn)、出口體型對(duì)中孔泄流的影響，優(yōu)化中孔進(jìn)、出口體型；驗(yàn)證泄流能力；量測(cè)水面線、流速及壓力分布；研究大壩下游沖抗深度，觀測(cè)下游消能區(qū)流態(tài)；評(píng)價(jià)工程安全性。

整體模型試驗(yàn)的目的為：在中孔斷面模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化中孔出口體型；研究表孔閘墩體型對(duì)泄流的影響，驗(yàn)證泄流能力；量測(cè)水面線、流速及壓力分布及大壩下游沖抗深度；研究中、表孔單獨(dú)泄洪及聯(lián)合泄洪情況下下游沖抗深度、流態(tài)；觀測(cè)各種泄流工況下游消能區(qū)流態(tài)；優(yōu)化反弧半徑、鼻坎高程、挑射角，研究下游防護(hù)措施，評(píng)價(jià)工程安全性。

3 下游河床巖石的抗沖性能

溢流壩段布置于河床偏左岸，壩基主要置于弱風(fēng)化D2y3、D2y4巖層，巖性為砂巖、細(xì)砂巖局部夾泥巖，巖石堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度高；消力池下游沖刷區(qū)內(nèi)開(kāi)挖及出露基巖為D2y3、D2y4巖層，巖性為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖局部夾泥巖，巖石堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度高。允許抗沖流速：砂卵石1～1.5m／s，強(qiáng)風(fēng)化2～3m／s，弱風(fēng)化4～5m／s；沖刷系數(shù)：砂卵石1.8，強(qiáng)風(fēng)化1.3，弱風(fēng)化1.1。

4 斷面模型試驗(yàn)

4.1 模型設(shè)計(jì)與制作

川江水利樞紐溢流壩斷面模型試驗(yàn)在室內(nèi)玻璃水槽中進(jìn)行，玻璃水槽寬60cm，高1.8m，長(zhǎng)20m。根據(jù)玻璃水槽尺寸，模型模擬34m長(zhǎng)的溢流壩段，模型幾何比尺選用1∶56.7，斷面模型按重力相似設(shè)計(jì)為正態(tài)模型。模型壩體、閘墩和消力池用水泥漿刮制，過(guò)水表面均進(jìn)行燙蠟處理。地形用1∶2.5水泥砂漿抹面，模型精度及相似性滿足試驗(yàn)要求。

4.2 溢流壩泄流能力

4.2.1 溢流壩泄流能力試驗(yàn)及成果分析

本工程溢流壩的主要任務(wù)為宣泄洪水，降低水庫(kù)運(yùn)行水位，保證水庫(kù)按預(yù)定的運(yùn)行調(diào)度方案運(yùn)行，確保水庫(kù)在汛限水位263.31m時(shí)下泄流量不小于100m3／s，并具有排污、排漂功能。根據(jù)溢流壩泄流任務(wù)，設(shè)計(jì)采用表孔與中孔聯(lián)合泄流方案，溢流壩工程布置圖見(jiàn)圖1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕嫌蔚孛娓叱贪?05m高程模擬，溢流壩下游地形按207.63m高程模擬。

敞泄各級(jí)洪水流量工況下，泄流能力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖2。

斷面試驗(yàn)結(jié)果表明，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，上游水位的試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)值低0.00～0.40m，說(shuō)明模型試驗(yàn)的過(guò)水能力和設(shè)計(jì)計(jì)算值相近，高水位時(shí)大于設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)方案滿足要求。

表1 表孔與中孔聯(lián)合泄流方案的泄流能力試驗(yàn)結(jié)果

4.2.2 溢流壩中孔泄流能力試驗(yàn)及成果分析

在汛限水位263.31m下，關(guān)閉表孔，在中孔全部開(kāi)啟和局部開(kāi)啟3m、2m、1m時(shí)的泄流能力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，圖3。

從表2可看出，中孔在汛限水位263.31m時(shí)下泄流量為262m3／s，滿足汛限水位下設(shè)計(jì)下泄流量不小于100m3／s的要求。此外，各開(kāi)度下中孔的流量系數(shù)試驗(yàn)值均在正常范圍。

圖1 表孔與中孔聯(lián)合泄流的泄流能力曲線

圖2 中孔泄流能力試驗(yàn)曲線

4.2.3 流態(tài)分析

（1）表孔與中孔聯(lián)合泄流

①Q(mào)＝1463.5m3／s（校核工況）。壩前水流較為平靜，沒(méi)有出現(xiàn)旋渦等不利水流現(xiàn)象；水流經(jīng)過(guò)表孔堰頂后平順下泄，堰面水流分布均勻；中孔下泄水流底部脫離下游壩面，水流墜落點(diǎn)在溢流壩反弧段的最低點(diǎn)處，沒(méi)有出現(xiàn)水流反射現(xiàn)象；中孔出流橫向擴(kuò)散不明顯。由于受中孔下泄水流的影響，表孔下泄水流被擠向兩側(cè)，造成表孔和中孔的水流匯合后，兩側(cè)的水深大于中間，兩側(cè)的水面低于導(dǎo)墻頂，但有水花翻越導(dǎo)墻。水流經(jīng)挑坎末端處向下游方向挑射，并向兩側(cè)展開(kāi)，下泄水流水舌挑距約為94cm，水流在沖坑內(nèi)翻騰旋滾強(qiáng)烈，沖坑下游水流較平順。

②Q＝598m3／s（設(shè)計(jì)工況）。壩前水流較為平靜，沒(méi)有出現(xiàn)旋渦等不利水流現(xiàn)象；水流經(jīng)過(guò)表孔堰頂后平順下泄，堰面水流分布均勻；中孔下泄水流脫離下游壩面，水流墜落點(diǎn)在溢流壩反弧段的最低點(diǎn)附近，沒(méi)有出現(xiàn)水流反射現(xiàn)象；中孔出流橫向擴(kuò)散不明顯。表孔和中孔的水流匯合后，兩側(cè)的水深大于中間。水流經(jīng)挑坎末端處向下游方向挑射，并向兩側(cè)展開(kāi)，下泄水流水舌挑距約為79m，水流在沖坑內(nèi)翻騰旋滾強(qiáng)烈。

③Q＝474m3／s（消能防沖工況）。壩前水流平靜，沒(méi)有出現(xiàn)旋渦等不利水流現(xiàn)象；水流經(jīng)過(guò)表孔堰頂后平順下泄，堰面水流分布均勻；中孔下泄水流沒(méi)有完全脫離下游壩面，水流墜落點(diǎn)在溢流壩反弧段的上游側(cè)。水流經(jīng)挑坎末端處向下游方向挑射下泄水流挑距約為57m，水流在沖坑處翻騰旋滾強(qiáng)烈，沖坑下游水流平順。

④Q＝296m3／s。上游水位與溢流堰頂即表孔底部平齊，無(wú)水流從表孔溢出，單獨(dú)由中孔泄流，中孔進(jìn)口水流均較為平靜，中孔出流沒(méi)有脫離下游壩面，水流墜落點(diǎn)在直線段與反弧段連接處附近，水流經(jīng)挑坎末端處向下游方向挑射，挑坎處水流穩(wěn)定，在挑射過(guò)程中逐漸向兩側(cè)展開(kāi)，下泄水流水舌挑距約為37m，水流在沖坑處形成輕微的旋滾，沖坑下游水流向平順。

（2）中孔獨(dú)立泄流

在汛限水位263.31m下，關(guān)閉表孔，中孔全部開(kāi)啟和局部開(kāi)啟3m、2m、1m時(shí)的泄流態(tài)如下：

①中孔全開(kāi)。中孔進(jìn)口水流均較為平靜，中孔下泄水流沒(méi)有完全脫離下游壩面，水流墜落點(diǎn)距離中孔出口水平距離約19.8m，水流經(jīng)挑坎末端處向下游方向挑射，并向兩側(cè)展開(kāi)，下泄水流水舌挑距約為57m。

②中孔開(kāi)3m。中孔進(jìn)口水流均較為平靜，中孔下泄水流沒(méi)有脫離下游壩面，水流墜落點(diǎn)距離中孔出口水平距離約19.8m，水流經(jīng)挑坎末端處向下游方向挑射，并向兩側(cè)展開(kāi)，下泄水流水舌挑距約為50m。

③中孔開(kāi)2m。中孔進(jìn)口水流均較為平靜，中孔下泄水流沒(méi)有脫離下游壩面，水流墜落點(diǎn)距離中孔出口水平距離約23m，水流經(jīng)挑坎末端處向下游挑射，挑距約為42m。

④中孔開(kāi)1m。中孔進(jìn)口水流均較為平靜，中孔下泄水流緊貼下游壩面，水流經(jīng)挑坎末端處向下游方向挑射，挑距約為28m。

4.3 動(dòng)床沖刷試驗(yàn)

本次動(dòng)床沖刷試驗(yàn)采用散粒體制作動(dòng)床模型，根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的河床基巖抗沖流速3～4m／s，按照伊茲巴什公式計(jì)算，取沖料當(dāng)量粒直徑為5～10mm。試驗(yàn)的沖刷時(shí)間不少于3h。

分別取30年一遇消能防沖建筑物的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)（Q＝474m3／s）、溢流壩100年一遇設(shè)計(jì)洪水（Q＝589m3／s）、汛限水位263.31m 下中孔敞泄（262m3／s）三個(gè)工況進(jìn)行動(dòng)床沖刷試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，下游沖刷情況見(jiàn)圖3、圖5。

表3 斷面模型試驗(yàn)最大沖坑深度表

圖3 下游河床沖淤圖（Q＝598m3／s）

圖4 下游河床沖淤圖（Q＝474m3／s）

圖5 下游河床沖淤圖（Q＝262m3／s）

從測(cè)試的三個(gè)流量來(lái)看，下游沖坑深度隨下泄流量加大而增加，沖坑深與水舌挑距的比值均小于規(guī)范值1／2.5，故沖坑不危及大壩的安全。

5 結(jié)論

（1）泄流能力試驗(yàn)結(jié)果表明，采用表孔與中孔聯(lián)合泄流方案時(shí)，上游水位的試驗(yàn)結(jié)果較設(shè)計(jì)值略低，說(shuō)明模型試驗(yàn)的過(guò)水能力和設(shè)計(jì)計(jì)算值相近，高水位時(shí)略大于設(shè)計(jì)值，泄流設(shè)計(jì)方案滿足要求。（2）中孔泄流能力試驗(yàn)結(jié)果表明，中孔在汛限水位263.31m時(shí)閘門全開(kāi)的下泄流量為262m3／s，滿足汛限水位下設(shè)計(jì)下泄流量不小于100m3／s的要求。

（3）30年一遇消能防沖建筑物的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)（Q＝474m3／s）、溢流壩100年一遇設(shè)計(jì)洪水（Q＝589m3／s）、汛限水位263.31m 下中孔敞泄（262m3／s）三個(gè)工況的動(dòng)床沖刷試驗(yàn)結(jié)果表明，下游沖坑深度隨下泄流量加大而增加，沖坑深與水舌挑距的比值均小于規(guī)范值1／2.5，沖坑不危及大壩的安全。

1 《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319－2005）

2 川江水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告，桂林：桂林市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009

3 《川江水庫(kù)水工模型試驗(yàn)研究》，廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2009