浯溪口水利枢纽整体水工及泥沙模型试验研究

黄志文

江西省水利科学研究院

邬年华

江西省水利科学研究院

河海大学水利水电学院

1 工程概况

浯溪口水利枢纽工程位于江西省景德镇市蛟潭镇境内，为昌江干流中游一座以防洪为主，兼顾供水、发电等综合利用的水利工程。坝址位于蛟潭镇洛溪村上游。枢纽主要建筑物总体布置沿坝轴线从左至右依次为：左岸黏土心墙挡水坝段（包括土坝与重力坝接头部分）、重力坝连接坝段、表孔溢流坝段、低孔溢流坝段、厂房坝段、右岸重力坝连接段、右岸黏土心墙挡水坝段（包括土坝与重力坝接头部分）（见图1）。总装机容量32MW，工程规模为大（2）型工程。浯溪口水库按库容属Ⅱ等工程，发电站厂房非挡水部分按次要工程属Ⅲ等工程，按装机容量属Ⅳ等工程。主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。水库正常蓄水位56.00m（黄海高程），水库总库容4.27×10⁸m³，具有日调节性能。工程的建成可使景德镇市的防洪标准从20年一遇提高到50年一遇。

2 模型设计

2.1 模型比尺

模型按重力相似准则设计^［1］，根据原型水流特性、几何尺寸并结合试验场地及供水条件，确定模型几何比尺：λ_L=100，则相应的其他水力要素比尺见表1。

[1]

2.2 上游动床模拟及坝下游冲刷模型沙的选用

浯溪口模型卵石推移质粒配曲线，系根据现场取样及浯溪口料场砂样经综合分析后得出原型砂特征粒径为：D_max=100mm，D₅₀=22mm，D_min=1mm。模型沙采用天然沙，按模型比尺计算相应的模型沙粒径；下游河道基岩裸露，基岩抗冲流速为4～5m/s，故下游河道动床部分模型沙按基岩抗冲流速模拟，坝下游局部冲刷试验模型沙粒径系按基岩抗冲流速根据伊兹巴什公式反求得出：

据式（1）和粒径比尺λ_D可求出满足抗冲流速要求的模型沙最大、平均和最小粒径分别为10mm、5.63mm和3.26mm。模型沙实际按以上3种粒径级配选取，可满足试验要求。

3 原方案存在的主要问题

（1）低孔段与电站之间的上游导墙处有一未贯穿漩涡，对低孔的进流有一定的影响。

（2）表孔消力池水流弗劳德数在2.5～3.5之间，属低弗劳德数范畴，下游消能不充分，大流量时，下游冲深较大。

4 体型修改与优化

针对原方案存在的问题，试验中进行了如下修改：

（1）低孔右导墙。低孔段与电站之间的上游导墙处有一未贯穿漩涡，对低孔的进流有一定的影响，将导墙缩短并将头部形状改为圆弧形，修改后低孔进口漩涡减弱，水流流态较好。

（2）表孔段消力池。泄洪闸消力池的修改原则：消力池内消能尽量充分；消力池的出流应与下游河道水流平顺连接，避免消力池后形成二次水跃，以减小下游河道的冲刷；有利于消力池内推移质泥沙排向下游。因此，对表孔段内消力池增设消力墩，消力墩平面布置及尺寸见图2。推荐方案消力池内水流平稳，下游流速衰减得较快，消能效率高，池后水面无明显跌落，下游河道冲深明显减少。

（3）消力池坎后加防护60m。

5 枢纽总体流态

校核洪水（14270m³/s）时，原方案与修改方案相比，库区流态明显改善，泄洪低孔和电站之间上游导墙的绕流明显减小，进口水流较为平顺；表孔段加设消力墩，消力池内水面波动明显减小，出消力池坎后流速明显较小，消能效率提高。

6 下游河床局部冲刷试验

下游河床局部冲刷的强度取决于流量大小和上下游水头差以及水库的调度方式。试验表明，当Q&lt；5400m³/s，坝下游河床冲刷很弱，除中间隔墙头部冲刷长度40～50m，冲宽20m，最大冲深1.5～2m，对建筑物不构成威胁，其余河床区基本无冲刷。造成隔墙头部局部冲刷的原因不是纵向流速的大小，而是隔墙头部水流紊乱所致。当Q&gt；10060m³/s，下游河床有明显的冲刷变形，随表孔泄流量的加大，冲坑范围扩大，冲刷加深。电厂下游河床无论电厂运行与否，均未发生冲刷，泄水闸下游的冲坑下游堆积的卵石也不会影响电厂尾水位。

从下游冲刷试验可见，泄水闸消力池后河床存在一定范围内的冲刷。由于各工况的冲坑位置均出现在紧接消力池坎后，为了建筑物的安全需要在坎后进行保护，建议采用消力池下游60m左右河床予以防护的工程措施，并将隔墙上下游的头部形状进行优化改为流线型。

7 坝区卵石推移质示踪试验

浯溪口水利枢纽坝区卵石推移质示踪试验初始条件为空库运行。即建库后第一年水库处于零淤积的状况。卵石推移质上游加砂位置在坝轴线上游540m断面附近。试验观测表明，坝区推移质运动速度极为缓慢，特别是在流量小、上下游水头差较大时。试验发现，从坝轴线上游300m断面开始，推移质泥沙运动轨迹开始明显向河道左侧偏移，直指低孔坝段，并经低孔泄水闸排向下游。坝区推移质输沙带宽度约150m，导砂坝前未发现推移质泥沙滞留，不仅导砂坝前无泥沙堆积，而且靠近电厂的一孔（6^＃）泄水闸前也是干净的，可达到电厂门前清的目的，坝区推移质运动轨迹见图3。

初步分析认为，上述试验现象是由天然河道的河势特点及枢纽布置方案决定的。在自然情况下，坝区河道的深泓线是经过低孔泄流坝段中部而后向下游河道左侧过渡，加之低孔底槛高程较低，与河床高程接近，为排泄推移质泥沙提供了极好的条件。进一步的试验观测还发现，坝轴线上游300m断面至坝前段，水流呈现出弯道水流特性，在环流作用下，表层水流指向电厂一侧，底层水流则指向低孔泄水闸一侧，形成正面取水侧向排砂之势。从而有利于推移质泥沙从低孔泄水闸排向下游。当流量超过10600m³/s后，电厂停止运行，推移质运动形势比小流量时还要好。如果将导砂坎的平面形式改为圆弧形，与推移质输移带右边界相一致，效果可能会更好。

8 结语

（1）浯溪口水利枢纽建筑物布置与自然情况下的河势特点相适应，主泄流坝段安排在自然情况下河道的深泓区内，对泄洪和排沙均较有利。坝区推移质示踪试验研究表明，坝区推移质主输沙带自坝轴线上游0+300断面开始向低孔泄流坝偏移。在弯道环流作用下，电厂进水口前形成正面取水、侧面排沙之势，可做到电厂门前清。

（2）电站与低孔段之间的上游隔墙处有一未贯穿立轴漩涡。通过试验研究，将电站与低孔上游导墙缩短，并将其头部改为半圆形，漩涡明显减弱。大泄量下，左表孔泄水流态稍差，建议流态表孔段与左坝段之间的连接挡墙采用扭曲面平顺衔接。

（3）低孔段消力池水跃弗劳德数都在4.5以上，在稳定水跃范围，消能率比较高，消能效果较好。表孔段大泄量，消力池跃首弗劳德数在2.5～3.5之间，属低弗劳德数范围，为不稳定水跃，消能效率低。在高水位大流量泄洪时，表孔泄流量较大，下游消能不充分。大流量表孔下游河床流速偏大，试验在表孔消力池内加设消力墩。试验表明，加消力墩后消力池坎后底流速衰减加快，下游各断面底流速系数有所减少，断面流速分布较为均匀。

（4）为了避免隔墙头部紊流所致的局部冲刷，建议将头部形状改为流线形，考虑消力池坎后应有一定长度的保护，避免冲坑危及其安全，建议坎后再防护60m。

参考文献

［1］中华人民共和国水利部.SL 155—1995，水工（常规）模型试验规程［S］.北京：中国水利水电出版社，1995.

［2］李建中.水力学［M］.西安：陕西科技出版社，2002，9：102-201.

［3］谢鉴衡.河流模拟［M］.北京：水利电力出版社，1990：204-211.

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[1]：本文发表于2010年。