宋莉萱 劉剛森 吳國英

(1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.河南大學(xué)，河南 開封 475001)

1 工程概況

黃河山坪水電站(阿什貢梯級)工程位于青海省貴德縣境內(nèi)的黃河干流上游河段。施工期采用分期導(dǎo)流方式。一期導(dǎo)流先圍右岸河床式電站廠房、泄水閘及船閘，導(dǎo)流建筑物主要由左岸疏挖形成的導(dǎo)流明渠、上下游橫向圍堰及縱向圍堰組成。明渠采用梯形斷面，設(shè)計(jì)底寬115m，軸線長約900m，進(jìn)、出口底板高程2179.3～2179m，邊坡坡比為1∶3。一期導(dǎo)流明渠布置如圖1所示。

圖1 一期導(dǎo)流明渠布置

二期施工導(dǎo)流是利用右岸建成的5孔泄水閘導(dǎo)流。閘墩頂高程2202.0m，閘底板高程2182.0m。泄水閘剖面布置如圖2所示。

圖2 泄洪閘剖面布置

為保證導(dǎo)流明渠在施工期的安全導(dǎo)流，需要通過模型試驗(yàn)對一期導(dǎo)流明渠的泄流能力、流態(tài)、施工期通航、圍堰保護(hù)及渠底防沖，二期泄水閘敞泄過流、下游沖刷等問題進(jìn)行論證和分析，并對設(shè)計(jì)方案提出修改意見及建議。主要研究內(nèi)容如下：

a.提供一期明渠泄流的水位-流量關(guān)系曲線及明渠縱向水面線，結(jié)合水力特性觀測成果和施工期通航要求，對一期明渠的開挖高程及寬度提出建議。

b.提供二期右岸5孔泄水閘敞開泄流的水位-流量關(guān)系曲線。

c.觀測流量分級如下：316m3/s、630m3/s、950m3/s、1300m3/s、2280m3/s。

d.觀測各特征流量下一、二期導(dǎo)流時(shí)上、下游水力特性(包括水位、流速及流態(tài)，上游河道主流的方向和部位，河床進(jìn)口、出口水面銜接與波動(dòng)情況，沿上、下游圍堰轉(zhuǎn)角和建筑物下游的流速分布、漩渦、回流的范圍、強(qiáng)度及其沖刷、淘刷情況)，復(fù)核右岸已建5孔泄水閘導(dǎo)流時(shí)段的下游消能工安全性，并提出建議的圍堰、明渠平面布置和抗沖防護(hù)措施。

e.觀測一期明渠通航時(shí)在不同流量下沿程的流態(tài)、水深、主流方向、流速(包括橫向流速)、水面高程分布、水面比降及回流情況等，并提出改進(jìn)施工期通航的措施，確定通航流量范圍。

2 模型設(shè)計(jì)

山坪水電站水工模型采用1∶50的正態(tài)模型，滿足重力相似準(zhǔn)則，模型范圍包括庫區(qū)1.0km，壩址下游2.0km以及堤防以內(nèi)的所有建筑物(電站、泄水閘、沖沙廊道、通航建筑物、導(dǎo)流明渠建筑物等)。上下游河道部分、導(dǎo)流建筑物等采用水泥砂漿粉制作。電站、泄水閘、沖沙廊道、部分通航建筑物等全部采用有機(jī)玻璃制作；下游2.0km范圍內(nèi)的動(dòng)床部分采用天然砂，粒徑D=0.6～1.5mm。模型進(jìn)口流量用電磁流量計(jì)控制，庫水位和壓力用玻璃連通管量測，流速采用螺旋流速儀測讀，采用了紙花、彩色細(xì)線和高錳酸鉀溶液等方法觀測水流流向。采用攝像技術(shù)進(jìn)行流態(tài)、流場描述。一期導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為2年一遇洪水，流量為2280m3/s。一期明渠導(dǎo)流期間，下游河道地形按照現(xiàn)狀河道河床地形(河道未疏浚)鋪沙模擬，下游水位按照設(shè)計(jì)提供的壩軸線下2.0km處斷面水位流量關(guān)系控制。二期導(dǎo)流期間，下游河道已疏浚，下游河道地形按照設(shè)計(jì)的疏浚開挖地形鋪設(shè)，下游水位仍按照設(shè)計(jì)提供的壩軸線下2.0km處斷面水位流量關(guān)系進(jìn)行控制。

3 一期明渠導(dǎo)流試驗(yàn)

3.1 明渠導(dǎo)流水位流量關(guān)系

試驗(yàn)量測導(dǎo)流期2年一遇設(shè)計(jì)洪水(流量2280m3/s)時(shí)，上游圍堰附近水位2185.18m，較設(shè)計(jì)值2185.3m略低，上游圍堰設(shè)計(jì)高程2186.3m，滿足設(shè)計(jì)要求。下游圍堰末端附近水位2184.06m，略低于設(shè)計(jì)值2184.42m，下游圍堰設(shè)計(jì)高程2185.4m，滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)導(dǎo)流明渠泄流能力試驗(yàn)資料分析，導(dǎo)流渠開挖寬度和深度滿足一期導(dǎo)流期間過流要求。

3.2 導(dǎo)流明渠的流態(tài)、流速及水面線試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)分別觀測了流量為316m3/s、630m3/s、950m3/s、1300m3/s、2280m3/s時(shí)導(dǎo)流明渠及上下游流態(tài)、流速與水面線分布等水力特性。

試驗(yàn)結(jié)果表明，小流量316～630m3/s時(shí)，上游來流分為左右兩股，其中右股水流占70%，左股占30%，至開挖導(dǎo)流明渠入口斷面，兩股匯合。在上游橫向圍堰與縱向圍堰圓弧連接段，由于過流斷面收縮，右股水流集中，導(dǎo)致水流在導(dǎo)流明渠段斷面流速分布不均，主流偏左。上游來流流量由950m3/s增大到2280m3/s，加之導(dǎo)流明渠前200m范圍內(nèi)過流斷面寬度由380m逐漸減小到150m，使得該段水流流速逐漸加大，水面有一個(gè)明顯降落，且流量越大，水面降落幅度越大(見圖3)。試驗(yàn)還觀測到上游橫向圍堰與縱向圍堰圓弧連接段附近的水流波動(dòng)劇烈，流速較大，甚至在流量2280m3/s時(shí)出現(xiàn)急流，產(chǎn)生水躍現(xiàn)象(見圖4)，流速達(dá)到4.03m/s，對該處圍堰的穩(wěn)定產(chǎn)生較大威脅，建議采取必要防護(hù)措施，如格賓或大塊石護(hù)底、鉛絲石籠防護(hù)坡腳等。其他部位水流相對平順，可參考模型實(shí)測流速，選擇合適的臨水面筑堰材料。

圖3 導(dǎo)流明渠沿程水面線

圖4 上游橫向圍堰與縱向圍堰圓弧連接段明渠水流流態(tài)

一期明渠導(dǎo)流期間，對應(yīng)流量316～2280m3/s時(shí)，導(dǎo)流明渠段水深3～6m，渠道內(nèi)斷面最大流速0.69～3.52m/s。

由于下游河段砂卵石淺灘較多，受原始地形影響，在小流量時(shí)，下游河道出現(xiàn)多股水流，河道主流散亂，無明顯的主河槽，水面比降較陡。流量1300m3/s和2280m3/s時(shí)，下游水流全河漫灘，有多股水流，該河段水面比降逐漸變緩，一期導(dǎo)流各級流量時(shí)下游河道水面線見圖5。

圖5 下游河道沿程水面線

從下游各級流量下游河道流態(tài)總體情況看，一期導(dǎo)流期間，在小流量時(shí)，流路稍顯散亂，但從水深看，基本滿足下游通航水深需求。

4 二期導(dǎo)流試驗(yàn)

4.1 明渠導(dǎo)流水位流量關(guān)系

圖6 泄洪閘進(jìn)口左導(dǎo)墻附近水流流態(tài)(Q=2280m3/s)

表1 特征水位流量關(guān)系

4.2 二期泄洪閘導(dǎo)流流態(tài)與流速分布

試驗(yàn)分別觀測了二期導(dǎo)流時(shí)各級流量下流態(tài)與流速分布等。試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)流期來流小于1300m3/s時(shí)，泄洪閘下泄水流沿下游疏浚河槽行進(jìn)，主流靠近左岸開挖邊坡，河道內(nèi)最大流速小于1.5m/s，水流不漫灘，但有少量水從壩下1.5km處回水至原左岸河槽內(nèi)。流量2280m3/s時(shí)下游河道水位高于2183m，水流淹沒第3個(gè)高程為2183m的生活休閑區(qū)，第1個(gè)和第2個(gè)生活休閑區(qū)附近水面高程為2183.8m，下游河道內(nèi)最大流速達(dá)到1.81m/s。

各級流量時(shí)，泄洪閘閘前受兩側(cè)導(dǎo)墻繞流影響，閘前兩側(cè)淘刷，格賓塌陷(見圖7)，最大淘刷深度7m。流量2280m3/s時(shí)，閘前20m斷面最大流速為3.71m/s。各級流量時(shí)，消力池均能形成完整的淹沒水躍，在小流量時(shí)，消力池下游護(hù)坦為波狀水流，當(dāng)流量大于1300m3/s時(shí)，護(hù)坦上出現(xiàn)二次水躍(見圖8)，海漫下游產(chǎn)生沖刷，建議調(diào)整消力池尺寸，消除二次水躍，改善海漫下游。五級流量時(shí)，下游河道水流大都在開挖的槽內(nèi)行進(jìn)，河寬和糙率變化不大，水面比降變化也沖刷。測得下游河道斷面最大流速分別為0.52m/s、1.09m/s、1.34m/s、1.53m/s、1.81m/s，下游河道水深2.6～5.1m，滿足通航需求。

圖7 Q=2280m3/s時(shí)原設(shè)計(jì)閘前左側(cè)淘刷較深，格賓下蟄

圖8 Q=2280m3/s時(shí)消力池及護(hù)坦水流流態(tài)

5 結(jié) 論

a.山坪水電站一期、二期導(dǎo)流工程泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。對應(yīng)流量316～2280m3/s時(shí)，從下游河道水深看，一期明渠導(dǎo)流期間和二期泄洪閘導(dǎo)流期間，基本滿足下游通航水深需求。

b.一期明渠導(dǎo)流期間，上下游圍堰高程設(shè)計(jì)合理，但是在上游橫向圍堰與縱向圍堰圓弧連接段附近流速較大，建議設(shè)計(jì)部門采取必要防護(hù)措施。其他部位水流相對平順，可參考模型實(shí)測流速，選擇合適的臨水面筑堰材料。