临汾闸坝蓄水工程河工模型冲刷试验研究

赵晋

（山西省水利水电科学研究院，山西太原030002）

1 临汾汾河闸坝蓄水工程概况

山西省第一大河汾河流经临汾市内河长173.5 km，流域面积10 286 km2，汾河闸坝蓄水工程是临汾市生态区建设的重要组成部分，该工程位于临汾市城区西侧的汾河干流上，北起马务桥，南至平阳桥，全长约5 km，两岸无支流汇入，河道纵坡为0.556‰左右，河床宽约400～500 m，洪水集中在汛期，平时水量很少。闸坝蓄水工程为四等工程，主要建筑物按4级设计，主要枢纽建筑物包括：修建人工复式河槽、排污暗涵，中隔墙、橡胶坝及附属建筑物，本次治理工程采用分槽方案，即将主河槽分成两部分，一部分为泄洪槽，可过300 m3/s以下的小洪水；另一部分为蓄水区，以供观赏，当来流超过泄洪槽的过流能力时，则洪水翻坝或塌坝过洪，泄洪槽与蓄水区之间设中隔墙。河道主河槽按10年一遇洪水标准设计，洪水流量1 500 m3/s，全河道过水能力按原标准50年一遇洪水标准设计，洪水流2 690 m3/s，主河槽两侧各布置一条排污暗涵，长度均为5 000 m。在马务桥上游（桩号0-150）、拟建的西关桥上游（桩号2+400）、平阳桥下游（桩号4+700）设三道橡胶坝，形成两座蓄水池。橡胶坝坝长均为240 m，坝高2.5 m。每道坝的左侧均设中控室及储水池，以便坝袋充排水，水源采用打井取水方式。坝下设高喷防渗墙，三个坝址处防渗墙的总长度为1 020 m。蓄水池补水主要利用污水处理厂处理后排出的水，经加压站送入。

本次试验模型取1#橡胶坝上游860 m，3#橡胶坝下游840 m，共计5 km，因试验场地较短，且模型比尺不宜过小，考虑马务大桥至下游弯道段、治理段比较顺直，冲淤变化比较均匀，故在不影响弯道及上游水流流态和冲淤变化的情况下，去掉1 900 m直段，在模型中治理段取3 100 m。模型布置见图1。

图1 模型布置图

2 试验目的及内容

根据分槽治理方案的布置形式，通过室内模型试验了解河段的冲淤变化，泄洪槽与蓄水区10年及50年一遇洪水情况，根据其结果，提出对上游进口段、过桥墩段、弯道段、下游出口段等部位的优化设计提出建议，为工程防冲措施提供依据。

3 试验成果及分析

3.1 治理工程进口段（0-171上游）

在Q=300 m3/s时，仅泄洪槽过水，在0-171断面上游因过水断面大，槽宽约240 m，流速小，故在该段基本为淤积，只在进口前有少量冲刷，Q=1 500 m3/s洪水橡胶坝塌落，治理段要全断面过水，左侧冲刷，中部以右淤积，当出现50年一遇洪水（Q=2 690 m3/s）时，进口冲刷比较严重，最大冲坑深度约为1.15 m，到0-198断面冲刷逐渐减弱。

3.2 治理段（1#橡胶坝上游0-171至3#橡胶坝下游4+748）

3.2.1 施放Q=300 m3/s洪水后冲刷情况

通过施放洪水，测得该治理段各断面的最大冲刷深度见表1。

表1 Q=300 m3/s沿程冲淤变化最大值（单位m）

由表1可知：Q=300 m3/s时，水流经过1#橡胶坝后，在橡胶坝下游，因左右两侧均有铅丝笼防护，故泄洪槽中部均产生冲刷，在马务桥下游100 m（即0+100）冲刷较深，最大冲刷深度1.47 m，各橡胶坝下游30 m范围内冲刷严重，最大冲刷深度约为0.94 m。

3.2.2 施放10年一遇及50年一遇洪水后冲刷情况

10年一遇洪水（Q=1 500 m3/s）和50年一遇洪水（Q=2 690 m3/s）时，蓄水区与泄洪槽河床均产生冲刷，局部地区产生淤积，两座桥左、右侧均有淤积，弯道下游左岸冲刷，右岸淤积，在马务桥下游100 m（0+100断面）右侧附近及各橡胶坝下游冲刷比较严重，详细结果见表2，表3。

3.3 下游出口段

泄洪槽出口处，由于经常过小洪水，靠近右岸河床下切形成一小槽，使整个下游左岸淤积，右岸冲刷。泄洪槽单独过水Q=300 m3/s时，冲刷最深处在中隔墙末端附近，冲刷深度为3.43 m，最深点高程为417.37 m，当Q=1 500 m3/s时，冲刷最深处在蓄水区末端，最深点高程418.15m，当Q=2 690 m3/s时，冲刷最深点在5+000附近右侧，最深点高程为418.59 m。

表2 Q=1 500 m3/s沿程冲淤变化最大值（单位m）

表3 Q=2 690 m3/s沿程冲淤变化最大值（单位m）

4 河道冲淤变化分析

因河道中水流受地形条件、水流条件及紊动等各方面的影响，不同流量下河床均有一定的冲淤变化，而橡胶坝为固定河床建筑物，糙率小，无冲刷，起到一个宽顶堰的作用，水流经过橡胶坝时，水面有一定降低、流速增大，使各橡胶坝后出现冲刷现象。桥上、下游断面，由于断面扩宽，加之桥墩的影响，故在蓄水区左岸，泄洪槽右岸形成淤积，各桥墩周围受水流绕流作用而产生不同程度的冲刷，在马务桥桥墩后形成几道沙脊，脊与脊之间形成一小冲槽，其最大冲深达2.85 m（Q=2 690 m3/s）、1.14 m（Q=1 500 m3/s）。在马务桥后，由于水流过桥扩散后至0+100又缩至原宽度，使该处流速突然变大，引起该断面冲刷严重。弯道段由于水流受离心力作用，并且产生折冲水流，故引起左岸冲刷，右岸淤积。而3#橡胶坝下游，由于该处弯道段与3+400的弯道转弯方向一致，使水流平顺进入下游弯道，该处水流受中隔墙的影响右岸形成一小冲槽，而左岸淤积。

Q=300 m3/s时，由于仅有泄洪槽过水，过水断面宽度为60 m左右，而1#橡胶坝上游、3#橡胶坝下游河道宽度为240 m，受水流绕流扩散作用，中隔墙末端处流速突然增加，该处冲刷水深达3.43 m，故应在该处增加防护措施。

5 结论及建议

从河道冲淤地形看，在橡胶坝、堤后和弯道凸岸以及中隔墙两侧都有一定冲刷，应采用相应厚度的铅丝笼加以防冲，特别是中隔墙上、下游的头部冲刷比较严重，应采取必要的防护措施。

桥墩井柱周围也有一定冲刷，但井柱分散冲刷不甚大，故可暂不予以防冲处理，待以后发现冲刷严重时再做处理。