蘇翠玲 李 巖

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院 新疆 石河子 832000)

1 概述

新疆瑪納斯河肯斯瓦特水利樞紐工程是一座控制性骨干工程，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。水庫總庫容1.89億m3，控制灌溉面積316.3萬畝，電站裝機(jī)100MW，年均發(fā)電量2.7億kW·h。泄洪沖砂洞位于大壩右岸，采用“龍?zhí)ь^”方式與導(dǎo)流洞結(jié)合，進(jìn)口底板高程930.0m，隧洞全長511.48m，洞身段為無壓城門洞型，結(jié)構(gòu)尺寸6m×6.7m（寬×高），最大泄量500m3/s（限泄），出口消能方式采用底流消能。

新疆瑪納斯河為多泥沙河流，懸移質(zhì)多年平均輸沙量336.7萬t，輸沙率為106.8 kg/s，同期含沙量為2.73 kg/m3，侵蝕模數(shù)726.1t/km2。泄洪沖砂洞在運(yùn)行期存在水頭大、流速高等問題，為了論證泄洪沖砂洞各部分設(shè)計(jì)的合理性、可靠性及對設(shè)計(jì)的摻氣措施和消能措施的優(yōu)化，進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)。

2 水工模型試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本工程正常蓄水位為990.0m，校核洪水位為993.35m。泄洪沖砂洞進(jìn)口高程930.0m，洞長511.48m，采用“龍?zhí)ь^”方式與導(dǎo)流洞連接，隧洞最大流速為34.52m/s。為了驗(yàn)證根據(jù)理論計(jì)算所設(shè)計(jì)的摻氣措施及消能措施的合理性，確保工程運(yùn)行安全，對工程進(jìn)行了模型試驗(yàn)，為工程后期設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支持。

3 水工模型試驗(yàn)內(nèi)容

該試驗(yàn)由西北農(nóng)林科技大學(xué)水工模型試驗(yàn)室承擔(dān)，模型比例采用1∶60，盡可能真實(shí)地模擬建筑物進(jìn)出口邊界條件。模型試驗(yàn)主要的內(nèi)容為：

（1）驗(yàn)證泄洪沖砂洞在閘門全部開啟及各種局部開啟時的泄洪能力，測定工作閘后漸變段、無壓洞、明流洞及消力池的水面線、流速及壓強(qiáng)分布，繪制相應(yīng)的水位～流量關(guān)系曲線，據(jù)此復(fù)核各特征工況的泄流能力。

（2）觀測主要工況進(jìn)水口前引水渠水流流態(tài)，觀測進(jìn)水口前是否產(chǎn)生漩流及漩流的性質(zhì)，產(chǎn)生漩流的界限水位，確定泄洪沖砂閘的合理運(yùn)行方式。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對泄洪沖砂洞不同部位建筑物體型進(jìn)行評價，并進(jìn)行必要的修改優(yōu)化。

（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化選擇摻氣槽的布置、數(shù)量、體型尺寸，觀測主要工況下?lián)綒獠鄣乃鲄?shù)及摻氣效果，供設(shè)計(jì)選用。

（5）觀測不同工況下下游河道的水面線、河道流速、流態(tài)及消能防沖效果，對下游河道消能防護(hù)設(shè)施作出評價，提出改進(jìn)意見。

（6）對優(yōu)化后的泄洪沖砂洞體型進(jìn)行模型試驗(yàn)。

4 水工模型試驗(yàn)分析

4.1 設(shè)計(jì)泄量工況下模型試驗(yàn)情況

模型試驗(yàn)首先對肯斯瓦特水利樞紐泄洪沖砂洞各特征工況的泄流能力進(jìn)行了率定，特征水位設(shè)計(jì)泄量與試驗(yàn)實(shí)測泄量比較見表1。

由表1可見，泄洪沖砂洞各特征水位（全開）實(shí)測泄量均略大于設(shè)計(jì)泄量，差值在1.29%～1.49%之間，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)測得原設(shè)計(jì)方案由于閘后擴(kuò)散段較短，擴(kuò)散角偏大（5.71°），龍?zhí)ь^段上游端泄槽兩側(cè)水翅較嚴(yán)重，槽內(nèi)有明顯的折沖波存在。斷面最大橫向水面差分別達(dá)1.72m（校核工況）和1.81m（正常工況）。

在模型進(jìn)口控制段頂部中線、閘槽及進(jìn)口底板至消力池底板中線共布置壓強(qiáng)測點(diǎn)36個。試驗(yàn)結(jié)果表明，除位于控制段末端7#測點(diǎn)壓強(qiáng)為-1.2×9.81kPa外，其余測點(diǎn)壓強(qiáng)均為正值，且分布較合理。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，下游河道除泄洪沖砂洞退水渠出口右側(cè)沖刷外，下游河道其它部位無明顯沖淤。

由于泄洪沖砂洞是由導(dǎo)流洞改建而成的“龍?zhí)ь^”式泄水洞，控制段為短且有壓孔口出流，工作水頭大于60m。因此，工作閘后至龍?zhí)ь^反弧段下游附近，不但流速較大、空化數(shù)較小，且屬于容易發(fā)生空化空蝕破壞的區(qū)域。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反弧段以上水流空化數(shù)整體偏小，流速偏大，而反弧段以下則相反。各斷面流速、壓強(qiáng)和空化數(shù)見表2。

表1 泄洪沖砂洞特征水位設(shè)計(jì)泄量與試驗(yàn)實(shí)測泄量比較

表2 校核水位閘門全開泄洪沖沙洞斷面平均流速與水流空化數(shù)

表3 優(yōu)化后的泄洪洞各特征水位實(shí)測泄量與原方案實(shí)測泄量 單位：m3/s

表4 校核工況下泄洪沖砂洞摻氣特征

4.2 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)論

通過水工模型試驗(yàn)對肯斯瓦特水利樞紐工程泄洪沖砂洞原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，泄洪沖砂洞各特征水位泄流能力實(shí)測值略大于設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求；各工況進(jìn)口引水渠流態(tài)良好；無壓洞、明流洞水深及流速分布合理；消力池水躍位置合理、水躍完整穩(wěn)定，消力池設(shè)計(jì)基本符合要求；各工況下游河道沖淤范圍不大，沖坑深度3m～4.4m。

原方案泄洪沖砂洞存在的主要問題是控制段后擴(kuò)散段較短，洞內(nèi)局部水翅及折沖波較嚴(yán)重，需要修改優(yōu)化。另外，消力池水面波動稍大，邊墻高度略顯不足。

4.3 優(yōu)化后方案試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上針對其所存在的問題進(jìn)行修改。修改內(nèi)容主要有：

（1）控制段后漸變段由原設(shè)計(jì)10m調(diào)整為30m。

（2）消力池底板高程由861.41m調(diào)整為860.41m，同時，消力池上游斜坡段也隨之作了調(diào)整。

優(yōu)化后的泄洪洞各特征水位實(shí)測泄量與原方案實(shí)測泄量見表3。由表3可以看出，優(yōu)化后泄量較原方案增加1.01%～0.47%，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求；閘后漸變段由10m調(diào)整為30m后龍?zhí)ь^段流態(tài)明顯改善，斷面水深分布較為均勻；將消力池底板高程調(diào)整到860.41m后，水躍位置有所上移，消力池長度較為富裕，水面波動有所減弱，流態(tài)得到改善。

根據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范和類似工程經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)在閘后0+037.00m、0+120.39m和0+183.13m處分別設(shè)置一道摻氣坎。各摻氣坎摻氣特征值見表4。

5 結(jié)語

通過對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后方案泄量、流態(tài)、壓強(qiáng)分布、空化數(shù)和下游河道沖刷等都符合規(guī)范要求，提高了工程安全度，為工程后期設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)支持。陜西水利

[1]李煒．水力學(xué)計(jì)算手冊（第二版）[M].中國水利水電出版社，2006，06．

[2]溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范（SC253-2000）[S].中國水利水電出版社，2000，08．

[3]夏毓常．水力計(jì)算論文集[M].中國水利水電出版社，1997，10．

[4]西北水科所．肯斯瓦特水利樞紐工程泄洪洞水工模型試驗(yàn)報告[R]．2009，10．