麦日水电站引水枢纽下游防冲试验研究

王正辉，郑宏雅，周新民，张宗孝

（1.西安理工大学，陕西西安 710048；2.彬县红岩河水库工程建设指挥部，陕西彬县 713500；3.汉中黄河中型水电开发有限责任公司，陕西西安 710061）

1 工程概况

麦日水电站工程地处甘孜州稻城县与凉山州木里县交界处，工程主体部分位于木里县境内水洛河干流上，为水洛河干流梯级规划中第4个梯级电站。麦日水电站为引水式，泄水建筑为4孔平底闸，水库正常蓄水位2668.00 m，死水位2665.00 m；电站设计水头120 m，额定引用流量92.43 m3/s；电站装机3台，单机容量33 MW，总装机容量99 MW。首部枢纽由挡、泄水建筑物和取水建筑物组成。防洪标准按50年一遇洪水设计，消能防冲按30年一遇洪水设计。闸顶高程2670.00 m，坝顶全长为202.50 m，挡水建筑物沿坝轴线从左至右依次为左岸非溢流混凝土心墙砂卵石坝、3孔泄洪闸、1孔冲沙闸及右岸非溢流混凝土重力坝。右岸非溢流坝的上游侧布置取水建筑物。首部枢纽布置如图1所示[1]。

2 模型制作

根据模型试验任务要求，模型按重力相似准则设计[2]，选用几何比尺为1∶50，上游为定床，下游河床做成局部动床模型。为了观测冲刷坑的深度、范围，泄洪建筑物下游从海漫末端（坝轴0+127.00）下游约200 m的范围做成局部动床。动床深度约为15 m，最低点高程约为2634.0 m。动床的冲刷料粒径用经验公式确定，根据覆盖层的抗冲流速约为2.0 m/s，本着冲刷结果按偏于安全考虑，冲刷料不模拟河床强风化岩，统一按覆盖层冲刷料考虑，覆盖层粒径为1.6~3.2 mm，中值粒径约为2.2 mm。

图1 首部枢纽布置示意图Fig.1 General layout of the hub

3 试验结果与分析

3.1 闸坝泄流能力

当闸门全开时，泄洪冲沙闸试验率定流量较设计计算值偏大。究其原因，是由于闸前水流的行进流速较大，而在设计阶段未考虑其影响的缘故[2]。设计水位2658.59 m时，试验实测流量为1017 m3/s，较设计计算值843 m3/s大20.7%；校核水位2660.32 m时，试验实测流量为1398 m3/s，较设计计算值1170 m3/s大19.5%。

实测冲沙闸关闭，泄洪闸三孔全开，库水位在2655.3～2660.1 m之间变化时，泄洪闸为堰流，流量系数在0.383～0.387之间变化，且大于宽顶堰最大的流量系数0.385，原因是计算时未考虑行进速度水头。

实测泄洪闸关闭，冲沙闸全开，库水位在2656.81 m以下，冲沙闸堰流流量系数不作计算，原因是在此条件水流由挡沙坎和束水墙控制[3]。库水位在2660.7 m以上时，冲沙闸为孔流，流量系数在0.550～0.777之间变化。

3.2 护坦末端及下游断面流速

试验量测了不同频率洪水时建筑物及其上下游的流速，为了说明问题，这里列出护坦末端，海漫中部以及海漫末端3个断面在30年一遇洪水、50年一遇洪水闸门全开时的流速分布以及水库维持正常蓄水位，泄洪闸关闭，冲沙闸局开时以上3个断面的流速分布如表1~表3所示。

表1 30年一遇洪水流速Tab.1 The velocity of the maximum flood in 30 years m/s

表2 50年一遇洪水流速Tab.2 The velocity of the maximum flood in 50 years m/s

从以上流速分布结果可以看出，出护坦的水流流速仍然较高，会对下游河道产生一定的冲刷。另外由于枢纽布置于弯道之上，受其影响，主流向凹岸一侧偏移，在冲沙闸一侧形成一定程度的回流。

表3 冲沙闸局开下泄257.57 m3/s下游河道流速Tab.3 The velocity in the downstream river course with a discharge of 257.57 m3/s with the sand sluicing gate opened m/s

3.3 原方案下游冲刷试验结果

试验分别进行了10年、20年、30年、50年一遇频率洪水闸门全开，以及上游来流量350 m3/s，电站引用流量92.43 m3/s，库水位为正常蓄水位，通过冲沙闸局开下泄257.57 m3/s等5个工况下的下游河道冲刷试验。图2、图3为原方案冲刷试验结果。

图2 原方案海漫末端齿墙根部冲深图Fig.2 Scour depth at the foot of the cut-off trench at the end of the apron according to the original plan

图3 原方案下游河道左侧沿程冲深图Fig.3 Scour depth along the left side of the river course according to the original plan

由冲刷结果可知，泄洪闸和冲沙闸全开，各特征流量洪水下护坦末端及下游随着下泄流量的增大，冲刷逐渐增大，最大冲深均出现于河道下游左岸，海漫末端齿墙根最低冲深为1.20~2.70 m，海漫末端下游冲刷最低冲深3.3~7.9 m。本工程消能防冲标准为30年一遇洪水，再参考50年一遇洪水的冲刷结果，海漫末端的齿墙深度应不小于3 m，因此原设计海漫末端底高程2647 m偏小，齿墙深入底部的深度按5.5 m考虑。上游来350 m3/s，电站引92.43 m3/s，库水位为正常蓄水位，冲沙闸局开下泄257.57 m3/s时海漫末端冲刷深度最深。要改变这一状况，就要加强下游的防冲措施。

3.4 修改方案下游冲刷试验结果

针对原方案泄流时下游左侧冲刷严重，海漫末端冲深较大的问题，借鉴类似工程[4]在解决下游冲刷时所采取的措施，修改方案在河道左侧布置了不同防护范围的混凝土四面体保护区，并比较了不同防护范围下，下游河道的冲深。

试验做了正常蓄水位时，冲沙闸局开下泄流量为257.57 m3/s，在下游海漫末端铺设沿左岸长60 m宽15 m，长50 m宽15 m，长40 m宽度由15 m变为10 m四面体保护3种长度的保护形式比较冲刷试验，同时还做了长50 m宽15 m和长50 m宽10 m用1.5 m3等3种不同四面体保护的范围冲刷比较试验。试验结果见图4和图5。

图4 修改方案海漫末端齿墙根部冲深图Fig.4 Scour depth at the foot of the cut-off trench at the end of the apron according to the revised plan

图5 修改方案下游河道左侧沿程冲深图Fig.5 Scour depth along the left side of the river course according to the revised plan

冲刷试验结果表明，四面体铺设长度60 m和50 m均能满足下游的消能防冲要求，而四面体铺设长度40 m下游左岸的冲刷深度为7.3 m，不能满足设计院控制的冲刷深度为5 m的下游消能防冲要求。因此从四面体保护长度上考虑，试验建议保护长度采用50 m。

在保护长度采用50 m情况下，两种四面体铺设宽度的冲刷试验结果表明，四面体铺设宽度15 m和10 m均能满足下游的消能防冲要求，但四面体铺设宽度10 m下游左岸的冲刷深度为4.55 m，要比铺设宽度15 m下游左岸的冲刷深度为3.85 m要深一些。因此从四面体保护宽度上考虑，宽度10 m可满足消能防冲要求，为了安全，试验建议保护宽度采用由上游宽度15 m过渡到宽度10 m。

4 结语

试验结果表明：护坦末端水流以急流形式与下游水流连接，出海漫水流流速较高，会对下游河道产生严重冲刷。闸门全开泄洪时下游河道冲刷较冲沙闸局开泄流为浅；冲沙闸局开下泄流量为257.57 m3/s时下游冲刷最为不利。海漫后部铺设四面体改善了下游冲刷深度，冲坑明显变浅。保护长度50 m情况下四面体铺设宽度15 m和10 m均能满足下游的消能防冲要求，考虑安全及经济因素，建议保护宽度采用由上游宽度15 m过渡到宽度10 m。

[1]张宗孝.麦日水电站工程引水枢纽水力学模型试验报告[R].西安：西安理工大学水力学研究所，2011：22-53.

[2] 中华人民共和国水利部.SL155-95水工（常规）模型试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1995：10-14.

[3] 郭雷，马斌，张宗孝，等.地洛水电站枢纽布置优化试验研究[J].西北水力发电，2006，22（5）：1-4.GUO Lei，MA Bin，ZHANG Zong-xiao，et al.Experimental studies on layout of Diluo Hydroelectric Station[J].Journal of Northwest Hydroelectric Power，2006，22（5）:1-4.

[4] 王涛，刘兴年，聂锐华.低闸枢纽护坦式消能工闸后冲刷试验研究[J].四川水利，2006（3）：29-31.WANG Tao，LIU Xing-nian，NIE Rui-hua.Experimental studies on scouring after brake of low brake hub apron energy dissipation[J].Hydraulic of Sichuan，2006（3）:1-4.