水库设计方案优化分析

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1工程概况

五嘎冲水库是马别河规划的龙头水库，马别河属珠江流域西江水系－南盘江的一级支流，多年平均流量14.3m3/s，多年平均年径流量4.51亿m3。坝址距普安县城60km，距青山镇约10km，距兴仁县约50km。本枢纽工程泄水建筑物为3级，混凝土拱坝正常运用时的洪水重现期为100a，非常运用时的洪水重现期为1000a，相应洪水下泄流量分别为1320m3/s和1790m3/s。

2贵州省普安县五嘎冲水库设计原方案试验

2.1泄洪放空底孔对泄洪放空底孔采用局部模型来测定，其几何比尺Lr=1∶35。当库水位达到校核水位1338.39m时，流量系数达到最大为0.801，试验泄流量为530.3m3/s，比设计计算的泄流量多下泄21.3m3/s。因此，该泄洪放空底孔的泄流能力满足设计要求。2.2联合泄洪2.2.1库区及溢流堰面流态原设计方案闸门开度情况:在P=3.33%，中孔闸门关闭，2孔闸门开度e=3.66m;在P=1%，3孔闸门开度e=4.74m;在P=0.1%，3孔闸门全开。随着下泄流量的加大，左孔内的扰动水流范围也在加大，当下泄流量达到校核流量时，左的扰动水流的范围超过了2/3的孔口宽度。在P=1%，3孔闸门开度e=4.74m时，闸门开度过大，导致经过闸门的水流为自由溢流，未形成闸孔出流。2.2.2泄流能力随着下泄流量的增加，含闸墩及边墩影响的流量系数随着堰上水头的增加而增大，当下泄流量达到817m3/s时，流量系数达到最大为0.472。此后，随着下泄流量的增加，含闸墩及边墩影响的流量系数随着堰上水头的增加而减小。当下泄流量达到校核流量1281m3/s，此时流量系数为0.470，试验库水位为，1338.50m，比设计库水位高0.11m。因此，该溢流表孔泄流能力基本满足设计要求。在P=3.33%、P=1%和P=0.1%频率洪水时，联合试验库水位值均小于溢流表孔单独泄洪的试验库水位值。在P=0.1%频率洪水时，联合泄洪试验库水位为1338.41m，比溢流表孔单独泄洪的试验库水位值低0.09m。当联合泄洪下泄流量达到校核流量1790m3/s时，试验库水位为1338.41m，比设计库水位高0.02m，故在联合泄洪校核工况时，其泄流能力满足设计要求。2.2.3动水压力试验在溢流表孔中孔布设7根测压管和下游护坦处布置21根测压管。溢流表孔各测点的动水压力除1#、2#、3#测点外，其余测点动水压力随着流量的增大而增大。最大动水压力出现在6#点，其值为10.89mH2O。最小动水压力发生在1#测点为－0.1mH2O。护坦内动水压力值随着下泄流量的增大而增大，最大动水压力值发生在护坦内拱坝中心线上，其最大值在0+63.16m断面中部为36.6mH2O。2.2.4下游流态(定床)溢流堰后接连续式挑坎，堰顶与挑流鼻坎高差为10.703m，挑流鼻坎的反弧半径为10.0m。在P=3.33%洪水频率时，反弧最低点水深1.38m，反弧半径为水深的7.24倍;在设计流量P=1%时，反弧最低点水深1.81m，，反弧半径为水深的5.52倍;在校核流量P=0.2%时，反弧最低点水深2.74m，反弧半径为水深的3.64倍。根据《水力计算手册》(第二版)R=(4－10)hc和长江科学院提出的自由挑射最小反弧半径公式Rmin=23h/Fr，判断反弧半径在设计工况以下是满足泄流要求的。受泄洪底孔的出流的影响，下游水流的流速是河床右岸要大于左岸。在0+79.66m－0+140m范围内，河床中部流速高于河床两侧流速。下游的最大涌浪范围0+70m－0+180m。2.2.5下游流态及冲刷(动床)护坦以后的部分按动床制作的，按3－5m/s的不冲流速选择冲刷散粒体。试验中下泄水流入水后，水流翻滚。在0+120m－0+160m是涌浪最剧烈的地方。在设计洪水流量P=1%时，下游冲刷坑最低点高程1243.13m，最大冲刷坑深度16.87m，左岸坡脚最大下切深度11.48m，右岸坡脚最大下切深度13.98m;在校核洪水流量P=0.2%时，下游冲刷坑最低点高程1234.52m，最大冲刷坑深度25.48m，左岸坡脚最大下切深度21.23m，右岸坡脚最大下切深度24.69m。在P=3.33%洪水频率到设计工况频率洪水时，下游厂房尾水渠的河床开始淤积。

3基于力学模型试验的贵州省普安县五嘎冲水库设计方案改进分析

3.1修改1方案试验在本修改方案中，主要是解决左边孔过堰水流平顺的问题。本方案采取的措施为泄洪放空闸门井溢流堰顶以上部分，设置长半轴8.35m，短半轴6.97m的1/4椭圆弧与左边墩墩头相切。溢流表孔在P=0.1%工况单独泄洪时，试验库水位仅比设计库水位高0.03m，已满足设计的需要。溢流表孔在P=0.1%工况联合泄洪时，试验库水位比设计库水位低0.06m，其泄流能力满足设计要求。3.2修改2方案试验本方案主要是考虑在溢流表孔的鼻坎设置梯形差动式齿坎，。故此，本方案中在溢流表孔鼻坎处设置了3种差动式齿坎消能工。1)方案1的齿坎高度为2.0m，各级流量下，虽较原设计方案的冲刷有明显改善，但是在齿坎的扩散作用不充分，尤其是在校核工况下齿坎上水舌较厚，下游冲刷坑深度，两岸坡下切深度较大。2)方案2的齿坎高度为2.5m，该齿坎的高度较为合适，使得出坎水流较为充分起挑和扩散，水舌入水的单宽流量就减小了，冲刷坑深度和两岸坡下切深度也有明显的改善。3)方案3溢流表孔齿坎的高度为3.0m，堰顶与鼻坎的落差为7.703m。堰顶和鼻坎落差进一步减小，使得梯形差动齿坎的扩散效果增加不明显，下游的冲刷坑深度的值较方案2也没有明显的减小。4)如果继续再增加梯形齿坎的高度，则将使得堰顶和鼻坎落差进一步减小，下泄水舌的挑流效果更加的不好。故选定溢流表孔辅助效能工梯形差动齿坎的高度为2.5m。3.3修改3方案试验故在本方案中，将对左、右边孔内的差动齿坎位置进行修改，已到达使出坎水流尽量扩散的同时，不对护坦两岸坡脚造成不利的影响。经过反复的比较，在修改方案2中齿坎方案2的基础上，将左齿坎靠左边墙，右齿坎靠右边墙。在试验中，左右两边孔的出坎水流与中孔出坎水流在空中有较大范围的碰撞，空中消能效果比修改方案2的要好一些。使得两边孔出坎水流向河床集中，但未明显增加下游河床的冲刷坑深度。3.4弧形闸门开度试验在初步设计中，设计洪水(P=1%)以下的各级特征洪水均采用调节弧形闸门开度控制泄洪流量。因此，弧形闸门开度试验内容为:1)各洪水频率工况下提出闸门开度测试成果，成果见表1。2)测试中孔闸门e=1.0m、e=2.0m、e=3.0m、e=4.0m、e=5.0m、e=6.0m的水位流量关系成果。

4结语

根据本次力学模型试验，五嘎冲水库设计方案改进方案为:泄洪放空底孔闸门井与左边墩之间设置的椭圆曲线;溢流表孔中部梯形差动式齿坎的设置;将左齿坎靠左边墙，右齿坎靠右边墙;确定溢流表孔上弧形闸门的开度。采用以上修改方案布置作为终结方案。

参考文献:

［1］李琳，邱秀云，许史，等.长距离虹吸管道输水水力学模型试验研究［J］.南水北调与水利科技，2010，08(03):106－109.

［2］宋景峰.坝体泄水建筑物水力学模型试验及其稳定性分析［J］.黑龙江水利科技，2017，45(03):9－12.

［3］陈蕾.五一水库工程深孔底流消能水力学问题研究［J］.黑龙江水利科技，2012，40(09):20－21.

作者:唐雷 单位:贵州省水利水电勘测设计研究院