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        汾河二庫大壩泄水建筑物消能及下游河道沖刷問題研究

        2012-08-15 00:48:19王秋鵬
        山西水利 2012年6期
        關(guān)鍵詞:底孔河床溢流

        王秋鵬

        (山西省汾河二庫管理局,山西 太原 030012)

        1 大壩泄洪建筑物概述

        汾河二庫樞紐大壩泄洪任務(wù)由泄洪底孔、溢流表孔和供水發(fā)電隧洞共同承擔(dān),其中溢流表孔壩段布置于河床中部,共3孔,泄流底孔對稱布置于溢流表孔兩側(cè),每側(cè)各布置2孔。

        泄流底孔長68.25m,進口段長7.465m,底高程859.0m,為5.8m×7.2m的矩形斷面,設(shè)平板事故檢修門;壓力洞段長28m,斷面尺寸為5.8m×7.2m;出口收縮段長7.2m,孔口尺寸為5.8m×6m,出口設(shè)弧形工作閘門控制;門后為9.4m平流段接擴散挑流鼻坎消能工,擴散段長16.2m,側(cè)墻以1∶9向下游擴散,反弧段長13.7m,反弧半徑28.0m,挑射角27°,鼻坎高程862.05m。

        溢流表孔壩段每孔凈寬12m,為開敞式溢流堰,堰頂高程902.0m,堰面曲線采用冪曲線,公式為y=0.099xl.85,堰面曲線與坡比為1∶0.75的斜直溢流面相切。斜直線段下接反弧段,反弧段圓心角為53.13°,反弧段最低點高程為866.29m,反弧半徑15.0m,挑角25°。挑流鼻坎為連續(xù)式,挑坎高程為861.7m。溢流堰面曲線的原點上游堰面由1/4橢圓曲線組成,橢圓曲線與豎直線壩面切點的高程為900.88m。自高程857.7m以下,壩上游面坡比為1∶0.2。

        汾河二庫總庫容1.33億m3,設(shè)計洪水重現(xiàn)期為100年一遇,校核洪水重現(xiàn)期為1000年一遇。正常高水位905.7m,相應(yīng)下游水位855.7m(地下水位),汛限水位905.7m;設(shè)計洪水位907.32m,相應(yīng)下游水位859.8m,相應(yīng)下泄流量3450m3/s;校核洪水位909.92m;相應(yīng)下游水位861.15m,相應(yīng)下泄流量5168m3/s。從利于排沙和便于運行操作角度考慮,水庫遭遇100年一遇和小于100年一遇洪水時由泄流底孔泄洪,大于100年一遇洪水時,由泄流底孔、溢流表孔和供水發(fā)電隧洞共同泄洪。

        2 基本資料

        河道模型按照山西省水利設(shè)計院1995年實測地形圖進行制作。

        河道模型巖石與土或砂卵石分界線由山西省水利設(shè)計院地質(zhì)勘察隊提供,兩岸除電站平臺按防洪堤進行模擬外,其余按直立巖石坡度考慮。河床砂卵石覆蓋層平均厚度按26m考慮,大壩處基巖高程平均按830m考慮,基巖邊界按定床、砂卵層按動床試驗。兩岸建筑物均按設(shè)計要求進行模擬。

        河床覆蓋層模擬是依據(jù)壩基探坑顆分資料,采用天然砂作為模型砂,按照級配曲線進行選配。由于小顆泥沙在沖刷過程中對河道沖淤變化影響較小,故模型砂中大于0.1mm的部分嚴(yán)格按級配曲線控制,約占70%以上,小于0.1mm的部分占總量30%。

        根據(jù)調(diào)洪演算下泄流量過程,泄水過程概化為5個流量等級、7個流量時段進行模擬。

        3 分級泄洪消能及下游河道沖刷模擬

        3.1 大壩下游河道流態(tài)及流速分布

        當(dāng)下泄流量為440m3/s時,局部開啟一底孔閘門,雖然沖刷區(qū)回流有一定范圍,也不對稱,但不會對工程有危害,主流沿原河槽流動。

        當(dāng)下泄流量為877m3/s時,如開啟右側(cè)一孔后,沖刷區(qū)明顯不對稱,左側(cè)為較大回流區(qū),回流可至左岸,達壩腳,但強度很弱,不會造成危害。電站防洪堤首部水流比較平穩(wěn),僅達4.5m3/s,沖刷不嚴(yán)重,河流維持原河道流勢。

        大壩泄流為較小流量時,除水舌入水處及其附近流速高、沖淤變化大外,其余地段流速均較小。當(dāng)下泄流量為1740m3/s時,如左右側(cè)各開一孔閘門,壩后沖刷區(qū)水流對稱,流態(tài)比較平穩(wěn),水舌入水處左側(cè)雖受地形影響,逆時針回流較大,但回至水舌入水處即基本結(jié)束,危害不大,對壩腳沒有影響。電站防洪堤首部水流在橫斷面上分布比較均勻,斷面流速分布、水深等均比較接近。受彎道水流的影響,凹岸形成沖刷,凸岸形成淤積。

        各處流速一般均小于巖石抗沖流速,電站防洪堤首部流速最大僅5.3m/s,沖刷不嚴(yán)重。該流量介于10~20年一遇洪水之間,時段比較長,河床基本達到?jīng)_淤平衡。

        當(dāng)下泄流量為3579m3/s時,(庫水位907.32m,為水庫100年一遇泄量),大壩4個底孔同時泄洪,壩后沖刷區(qū)流態(tài)基本對稱。壩腳處流速很小,下游左側(cè)150m處因地勢開闊,有逆時針回流,但回流范圍不大,流至水舌入水處而匯入主流,對壩腳無影響。沖刷區(qū)兩岸陡崖處流速基本小于巖石的抗沖流速,只有個別點流速接近6m,壩腳水位接近挑坎高程。彎道以后的水流比較穩(wěn)定。

        當(dāng)下泄流量為5168m3/s時(庫水位909.92m,為水庫1000年一遇泄量),因流量大,河道水位上升高,壩后沖刷區(qū)、水舌前沿寬度占河道寬度的80%以上。加之河道水深大,岸邊流速均較小,水流比較穩(wěn)定,壩腳部位比較安全。

        3.2 大壩下游河道沖淤變化

        大壩修筑以后改變了原河床水力條件。大壩泄洪時,無論泄量大小都會引起河道在一段距離內(nèi)的沖淤變化。各級流量河道沖淤情況如下:

        當(dāng)一孔泄洪時(如右邊孔開啟,泄洪流量為877m3/s),除水舌入水區(qū)右岸陡崖接觸沖刷局部高程可達840m外,其余部位均無嚴(yán)重沖刷,壩腳床面高程為850m以上。下游河床沿兩岸凹岸為主流沖刷區(qū),最大沖深達840m,但對大壩沒有影響。

        當(dāng)兩孔開啟時(庫水位905.7m,泄洪流量為1754m3/s),左右側(cè)各開一孔,壩后沖刷坑區(qū)的沖淤變化基本對稱,大壩下游約100m處沖坑較深,最深點高程839.17m。壩腳處床面高程在850m以上,沖坑對大壩安全無影響。下泄該流量對下游建筑不會造成破壞。

        當(dāng)泄洪流量達100年一遇流量時,4個底孔全部泄洪,由于水流對稱,回流不大,壩腳沖刷不大,河床高程850m以上,沖刷區(qū)沿兩岸的接觸沖刷最深點高程可達840m,對大壩安全無影響。大壩下游其他建筑物,除局部地段受淤積危害外,不存在沖刷危害。對建筑安全不會造成威脅。

        當(dāng)泄洪流量達1000年一遇校核流量時(流量為5168m3/s,庫水位909.92m),因河道流量分布均勻,流速較小,壩腳河床高程仍在850m以上,左岸852m,右岸855m。由于受地形影響,左岸回流較大,強度較高,在大壩下游約120m處,沖坑最深點達833.08m。對大壩安全無影響。大壩下游建筑物沖、淤危害基本與100年一遇情況相同。

        綜上所述,大壩按分級泄流時,泄洪沖坑深度未達壩腳基巖,泄洪沖刷不會對大壩及下游其他建筑構(gòu)成安全威脅。電站尾水渠出口淤積危害可用人工方法清除解決。

        4 連續(xù)泄洪消能及下游河道沖刷

        為了解洪水在連續(xù)過程中河道的流態(tài)變化,主要部位的水位、流速及沖淤變化,以便與分階段試驗資料進行比較,故對100年一遇洪水過程按流量分級進行連續(xù)泄洪試驗,進行各級流量的流態(tài)觀測及測量各主要部位的流速、水位及相應(yīng)水深。流量分級及時段控制與分段試驗相同,漲水時增加440m3/s一級,落水時增加877m3/s一級。

        由各級流量的流態(tài)觀測可知,當(dāng)泄洪流量較小時,除壩后挑流沖刷區(qū)受底孔開啟運行的方式影響略有不同外,其余部位連續(xù)泄洪與分段放水總的流態(tài)完全相同,主流線基本不變,都受彎道節(jié)點控制,沖刷區(qū)與淤積區(qū)基本不變,高程也基本相同。

        各級流量的流速分布、大小及方向在連續(xù)放水與分級放水中基本相近,各級流量主要部位的流速值一般均小于6m/s。

        由于行洪過程中難以看清河床的沖淤變化,只能根據(jù)感覺測其水深及相應(yīng)水位來推算河床的沖淤變化。從實測資料分析,各級流量河床的沖淤變化規(guī)律與分階段試驗的結(jié)果一致。

        5 結(jié)論及建議

        第一,根據(jù)各主要斷面的水位與流量關(guān)系以及河道沿程水面線分析,沖刷區(qū)末端的水位要高于壩腳水位。校核洪水位情況下,壩腳水位略高于挑坎頂高程外,其余各級流量下均低于挑坎高程,故挑坎高程基本合適。校核洪水位下,由于壩腳水位高于挑坎高程,故挑射水舌有些顫動,且水舌有通氣不足現(xiàn)象,但因時間很短對大壩不會有太大危害。

        第二,從各級流量條件下河床沖淤變化看,無論流量大小壩腳處均不會有嚴(yán)重沖刷,壩腳處河床高程均在850m以上。由于壩腳無大的回流,挑坎以下的壩面磨損破壞基本不存在。

        第三,對小于設(shè)計洪水以下的流量,其壩后沖刷區(qū)的流態(tài)及河床沖淤變化與底孔開啟運行方式有直接關(guān)系。因此,當(dāng)泄洪流量超過一孔泄量后,盡量考慮兩側(cè)底孔對稱開啟運行,以保持河道水流對稱,盡量減少回流。當(dāng)出現(xiàn)低水位沖沙運行時,要求底孔對稱開啟運行,由于低水位運行,盡管流量小,但水舌挑距很近,甚至成跌流狀態(tài),其沖坑深度可達836m,且靠近壩腳,若回流不對稱會對壩腳產(chǎn)生不良影響。

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