石 磊，田金章，陳 遠

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 概述

在水庫、水電站建設(shè)過程中，泄水建筑物的布置一直是工程布置的一個重要問題，合理的布置泄水建筑物，能極大的節(jié)省工程投資、方便工程的運營以及改善周邊的環(huán)境；不同擋水壩體結(jié)構(gòu)的泄水建筑物布置方式不同，對于混凝土重力壩，由于其壩身可以布置泄水結(jié)構(gòu)，所以在工程設(shè)計中，經(jīng)常采用壩身泄水的布置方案；根據(jù)工程泄水規(guī)模的不同，壩身泄水建筑物布置也不相同；但在工程中設(shè)計過程中，混凝土重力壩壩身泄水建筑物一般布置在原始河床部位，這樣不但進流條件好，而且泄洪消能建筑物也相對方便布置。此外，由于混凝土重力壩壩身泄水建筑物往往垂直于壩軸線布置，因此，在工程設(shè)計過程中，壩址盡量選擇在平直的河段，避免選擇在彎道河段，這樣可以使得水流很好的歸槽，對原始河道沖刷小，節(jié)省工程投資[1-8]。

在工程實踐中，有些水庫、水電站工程大壩由于地質(zhì)條件及環(huán)境等因素的限制，壩址不能夠布置在平直河段，這種情況下，合理的選擇壩軸線在壩址區(qū)域平面的布置角度將變得尤為重要。為獲得不同壩軸線方案的泄水水力條件，工程中往往采用水工模型試驗或者數(shù)值模擬兩種方法[7-14]。文中針對青峪口水庫工程壩軸線的布置，采用數(shù)值模擬方法，開展不同壩軸線布置方案的對比分析。

2 概況

2.1 工程概況

青峪口水庫是一座以防洪為主，結(jié)合供水，兼顧發(fā)電的Ⅱ等大二型水庫。水庫總庫容 14 733萬m3，防洪庫容 8 134萬m3，年供水量 1 868萬m3。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高74.1 m。

在工程前期勘測設(shè)計過程中，因水庫上游存在環(huán)境保護區(qū)，下游存在重點居民生活區(qū)，可供壩址選擇的河段相對有限，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，水庫壩址最終布置在彎道河段。此外，水庫汛限水位和高水位時泄流量均較大、且運行調(diào)度復雜。泄水建筑物的布置存在泄水歸槽難度大、流速分布不均勻以及下游河道沖刷等問題[9-10]。

2.2 研究內(nèi)容

大壩泄水建筑物由溢流表孔與泄洪深孔組成，鑒于溢流表孔、泄洪深孔占用了大部分河道的寬度，壩軸線在彎道河段的布置，一直是工程整體布置的核心問題，選擇合適的壩軸線布置，將能很好的解決水庫泄洪、消能及下游河道沖刷問題。

推薦方案大壩泄水結(jié)構(gòu)位于壩身中部，包含3個8 m×8 m(寬×高)的泄洪深孔以及3個12 m×19 m(寬×高)的溢流表孔，泄洪深孔靠近發(fā)電廠房壩段，溢流表孔位于泄洪深孔壩段右側(cè)(工程布置見圖1)，溢流表孔與泄洪深孔均采用底流消能，消力池底板頂高程均為345.0 m。

圖1 推薦方案工程平面布置示意

比較方案壩軸線相較于推薦方案逆時針旋轉(zhuǎn)5°，溢流表孔、泄洪深孔及其他相關(guān)建筑物結(jié)構(gòu)布置與推薦方案一致。

為詳細對比分析以上兩種布置方案泄洪消能以及下游河道沖刷等水力學問題的差異程度，采用數(shù)值計算分別模擬以上兩種方案[11-16]。數(shù)值模擬采用遞進式漸進網(wǎng)格，在保證計算精度的同時可加快計算進度。推薦方案和比較方案均建立詳細尺寸模型，采用上下游水位控制獲得水流特性；上游采用庫水位邊界，下游采用水位流量關(guān)系推算水位邊界(計算模型見圖2)。

其中，研究不同方案溢流表孔進流條件時，按大壩校核洪水位403.3 m時，表、深孔聯(lián)合下泄11 590 m3/s考慮。研究消能及下游河道沖刷問題時，根據(jù)工程消能防沖設(shè)計要求，分別按溢流表孔、泄洪深孔單獨控泄4 200 m3/s考慮。

3 溢流表孔進流條件研究

對泄水建筑物及上游模擬區(qū)域進行建模，模擬范圍如圖3所示。針對大壩校核洪水位403.3 m時，表、深孔聯(lián)合泄流11 590 m3/s工況進行數(shù)值計算，推薦方案和比較方案的溢流表孔閘孔流態(tài)及3孔縱向剖面如圖4～圖5所示。

圖3 上游庫區(qū)模擬區(qū)域示意

圖4 推薦方案溢流表孔流態(tài)示意

圖5 比較方案溢流表孔流態(tài)示意

計算結(jié)果表明，兩個方案計算的溢流表孔泄流能力基本一致，推薦方案左表孔、中表孔和右表孔左右邊墻同一樁號的最大水面高程差分別為3.4 m、2.7 m和3.3 m；比較方案左表孔、中表孔和右表孔左右邊墻同一樁號的最大水面高程差分別為3.1 m、2.2 m和4.0 m。比較方案閘孔左右兩側(cè)水面線的最大高差達4.0 m，在樁號0+42 m附近；而推薦方案閘室左右兩側(cè)水面線的最大高差值為3.4 m，在樁號0+7 m附近，兩方案的最大水面高程差相差0.6 m。從溢流表孔進流的對稱性來看，推薦方案比比較方案稍優(yōu)。

4 消力池及下游河道流態(tài)流速研究

4.1 溢流表孔單獨控泄

分別計算溢流表孔在下泄消能防沖設(shè)計流量為4 200 m3/s條件下，推薦方案和比較方案的溢流表孔消力池內(nèi)流態(tài)、流速、池內(nèi)水面線，消力池下游河道右岸邊的流速等參數(shù)。計算結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 推薦方案消力池流態(tài)正視示意

圖7 推薦方案沿程流態(tài)示意

圖8 比較方案消力池流態(tài)正視示意

圖9 比較方案沿程流態(tài)示意

計算結(jié)果表明，在溢流表孔單獨下泄消能防沖設(shè)計流量為4 200 m3/s條件下，推薦方案和比較方案的消力池內(nèi)流態(tài)基本相似，流態(tài)均較正常。表孔單獨泄流時，兩方案消力池內(nèi)水面線基本吻合，消力池池內(nèi)水面高程基本維持在365.5 m左右。兩方案最大流速也相差不大，推薦方案消力池尾坎斷面最大臨底流速為5.56 m/s，壩軸線旋轉(zhuǎn)5°的比較方案尾坎斷面最大臨底流速為5.84 m/s，均位于尾坎斷面中部。

消力池下游河道及右岸邊的臨底流速分布見表1所示，根據(jù)流速成果，在溢流表孔下泄消能防沖設(shè)計流量為4 200 m3/s條件下，推薦方案消力池下游河道右岸坡頂最大臨底流速為5.06 m/s，右岸坡腳最大臨底流速為5.26 m/s，均在樁號0+560 m附近；而比較方案的右岸坡頂最大臨底流速為4.62 m/s，在樁號0+500 m附近，右岸坡腳最大臨底流速為5.47 m/s，在樁號0+560 m附近；推薦方案右岸坡頂最大流速5.06 m/s大于比較方案的坡頂最大流速4.62 m/s，而推薦方案的坡腳最大流速5.26 m/s則小于比較方案的坡腳最大流速5.47 m/s；對右岸邊坡最大流速而言，推薦方案的流速小于比較方案。

表1 溢流表孔控泄4 200 m3/s時下游河道流速分布 m/s

4.2 泄洪深孔單獨控泄

分別計算泄洪深孔單獨下泄消能防沖設(shè)計流量4 200 m3/s條件下，推薦方案和比較方案的消力池內(nèi)流態(tài)、流速、池內(nèi)水面線，消力池下游河道右岸邊的流速等參數(shù)(計算結(jié)果如圖10～圖13所示)。

圖10 推薦方案消力池流態(tài)正視示意

圖12 比較方案消力池流態(tài)正視示意

圖13 比較方案沿程流態(tài)示意

計算結(jié)果表明，在泄洪深孔單獨下泄消能防沖設(shè)計流量4 200 m3/s條件下，推薦方案和比較方案的消力池內(nèi)流態(tài)基本相似，流態(tài)均較正常。比較方案溢流表孔消力池內(nèi)水面線較推薦方案高約0.5 m，水面高程基本維持在366.5 m左右。在消力池尾坎斷面，兩方案的橫向臨底流速分布規(guī)律基本相似，最大流速也相差不大，均位于消力池末端的海漫出口處，最大流速在7.0～7.7 m/s波動。

消力池下游河道及右岸邊的臨底流速分布見表2所示。

表2 泄洪深孔控泄4 200 m3/s時下游河道流速分布 m/s

根據(jù)表2可知，在泄洪深孔下泄消能防沖設(shè)計流量4 200 m3/s條件下，在消力池末端流速分布上，比較方案在樁號0+250 m左區(qū)流速較推薦方案變??；在下游河道流速分布上，推薦方案消力池下游河道右岸坡頂最大臨底流速為5.87 m/s，右岸坡腳最大臨底流速為5.08 m/s，均在樁號0+560 m附近；而比較方案的右岸坡頂和坡底最大臨底流速為5.80 m/s、5.03 m/s，在樁號0+560 m附近。兩方案在最大流速位置分布上差別不大，而在樁號0+360 m～450 m坡頂范圍內(nèi)，比較方案流速比原設(shè)計方案要略大一些。對右岸邊坡流速分布而言，推薦方案的流速小于比較方案。

5 數(shù)值計算研究結(jié)論

通過數(shù)值模擬計算方法對青峪口水庫大壩壩軸線布置推薦方案和壩軸線逆時針旋轉(zhuǎn)5°的比較方案的泄洪水流特性進行了計算分析，初步結(jié)論如下：

1)在校核洪水位403.3 m、表孔及深孔聯(lián)合泄流方式下，兩種布置方案的泄流能力基本相當。由于表孔位于右岸彎道附近，表孔泄洪時存在非對稱進流現(xiàn)象，各溢流表孔閘孔左右兩側(cè)同一樁號的水面高程均會產(chǎn)生一定的差值，推薦方案閘孔兩側(cè)水面線最大高程差為3.4 m；而比較方案閘孔兩側(cè)水面線最大高程差為4.0 m；就溢流表孔進流條件而言，推薦方案稍優(yōu)于壩軸線旋轉(zhuǎn)5°的比較方案。

2)在溢流表孔下泄消能防沖設(shè)計流量4 200 m3/s條件下，兩種布置方案的消力池內(nèi)流態(tài)、流速分布、池內(nèi)水面線等均基本相當，池內(nèi)水面高程基本維持在365.5 m左右；在消力池下游河道右岸邊坡段，推薦方案的最大臨底流速為5.26 m/s，而比較方案的最大臨底流速為5.47 m/s，兩方案泄洪水流對右岸坡的沖刷效果基本相當。

3)在泄洪深孔下泄消能防沖設(shè)計流量4 200 m3/s條件下，兩種布置方案的消力池內(nèi)流態(tài)、流速分布等均基本相當，比較方案消力池內(nèi)水面線較推薦方案高約0.5 m，水面高程基本維持在366.5 m左右；在消力池下游河道右岸邊坡段，兩方案在最大流速位置分布上差別不大，在0+360 m～430 m坡頂流速分布范圍內(nèi)，比較方案流速比推薦方案要略大一些。對下游河道右岸邊坡水流流速分布而言，推薦方案的流速小于比較方案。

6 結(jié)語

1)數(shù)值模擬計算方法的結(jié)果顯示，推薦方案壩軸線布置在溢流表孔進流、下游河道流速等水力條件方面優(yōu)于比較方案；相對較好的水力條件使得推薦方案更加經(jīng)濟。

2)通過采用數(shù)值模擬計算方法對青峪口整體工程布置進行三維水力學計算，解決了工程壩軸線布置選擇的問題，可為國內(nèi)外類似工程提供參考。