苏巴什水库泄水建筑物消能防冲优化试验研究

李 鹤，李玉建，俞晓伟，张红红，李 捷

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052;2.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

大型水利枢纽工程的修建可有效解决水资源短缺、时空分布不均，改善生态环境，促进经济发展，具有重要的民生意义[1]。近些年，随着大型水利枢纽工程建设的逐渐增多，有关消能防冲的问题也逐渐引起了人们的关注，成为水利水电工程建设中必须要解决的重大技术问题[2]。为了满足工程安全运行的需要，科研工作者开展了大量的水工模型试验研究，为工程的设计提供了可靠的依据。

苏巴什水库位于新疆阿克苏地区柯坪县境内的苏巴什河上，属于山区拦河式水库工程。工程于2017年建成运行，2019年9月度汛期间，受洪水冲刷影响，泄水建筑物联合消力池出口护坦段末端下部基础被掏空，下游河道整治段河床出现明显下切现象，右岸挡墙发生倾斜[3]。基于泄水闸下游主流集中于右岸，对右岸边墙及下游河床冲刷严重的现象，进行不同的消能防冲方案比选，通过观测泄水闸下游水流流态、断面平均流速及护坦出口处冲刷特性，提出增设连续消力坎消除出闸水流偏流、主流集中、降低护坦出口流速提高消能率以减少冲刷的目的，为设计提供科学合理的除险加固建议。

1 工程概况

苏巴什水库位于新疆阿克苏地区柯坪县境内的苏巴什河上，坝址位于柯坪县城西北约10km的苏巴什河出山口处，属于山区拦河式水库工程，流域面积4428km2，径流量0.6883亿m3，灌溉面积1.33万hm2，具有灌溉、防洪综合利用任务，为Ⅲ等中型工程[4]。水库由挡水建筑物和泄水建筑物组成，挡水建筑为混合坝，其中左岸及主河床段为混凝土面板坝，坝段长351m，右岸为混凝土重力坝，坝段长49m，最大坝高均为35.5m；泄水建筑物包括表孔溢洪道和泄洪冲砂底孔，其控制段均集中布置在混凝土坝段上，控制段下游为联合消力池段、反坡尾坎段、混凝土护坦段、下游河道整治段及交通桥下游防冲齿墙段。泄水建筑物平面布置图如图1所示。

2 模型试验设计

2.1 模型试验范围

模型试验范围包括纵向范围和横向范围。纵向试验范围为：表孔溢洪道和泄洪冲砂底孔控制段、联合消力池段、反坡尾坎段、砼护坦段、下游河道整治段及交通桥下游防冲齿墙后10m，总长度347.598m；横向试验范围为：表孔溢洪道和泄洪冲砂底孔控制段宽34m，联合消力池段宽33m，下游河道整治段宽和交通桥下游防冲齿墙宽104.6m。

模型试验平面布置图如图2所示。

图1 泄水建筑物平面布置图

图2 模型试验平面布置图

2.2 模型比尺

根据SL 155—2012《水工(常规)模型试验规程》[5]，结合重力相似准则，根据试验内容、供水以及场地等条件，同时考虑到表孔溢洪道尺寸，模型试验几何比尺选定为40。模型设计中相关物理量比尺见表1。

试验模型根据原型结构尺寸，严格按照几何比尺缩制，其中表孔溢洪道、泄洪冲砂底孔、联合消力池、护坦等泄洪建筑物采用有机玻璃制作，河道整治段采用聚氯乙烯板制作，下游动床采用天然沙制作。

3 消能防冲试验分析

针对消力池内主流集中于右岸、右岸边墙和下游河道整治段冲刷严重问题，观测泄水建筑物下游水流流态、断面平均流速及护坦出口处冲刷特性，进行不同布置型式下的消能防冲方案比选，得出能有效改善水流流态、增强消力池消能效果、降低护坦出口流速、减轻河床冲刷的最佳布置方案。

3.1 试验工况

苏巴什水库消能防冲建筑物设计洪水标准为20a一遇，其对应的入库洪峰流量550m3/s，下泄流量198m3/s。但由于水库淤积，库容减小，调蓄能力减弱，2019年汛期，苏巴什水库入库洪峰流量488m3/s，在还未达到20a一遇设计洪水标准时，水库已经出现超泄，其中最大下泄流量为350m3/s，在水库泄洪过程中，联合消力池出口至下游交通桥之间河道整治段河床出现明显冲刷破坏，综合考虑水库的实际情况，模型试验泄水建筑物和下游河道整治段的消能与防冲能力最终按350m3/s进行复核。

表1 模型的主要比尺关系

3.2 辅助消能试验方案比选

试验采用挑流扭坎、导向坎、导流坎、消力坎等不同辅助消能方案进行组合，通过改变长度、角度、高度、位置等不同布置参数，观察每一种参数组合下的水流流态和护坦出口处平均流速，采用有效参数组合进行试验研究。

试验发现，挑流扭坎结合消力坎方案可有效将水流导向中部及左岸，但不利于安全稳定运行；导向坎结合消力坎方案可有效改善水流流态，并降低护坦出口处流速，但该结果是基于导向坎高度较高条件，当导向坎高度较低时会被消力池完全淹没，消能效果不显著。考虑到挑流扭坎对安全运行的影响和导向坎高度受工程限制等因素，同时结合试验的观测资料，对以上2个方案进行优化，进行只设置消力坎的多种不同布置型式试验。

3.3 消力坎试验方案分析

通过改变消力坎数量、位置、体型等影响参数，进行多种参数组合，观测每一种参数组合下的水流流态和护坦出口处平均流速，选取4组情况较好的方案进行对比分析，见表2。

表2 消力坎试验典型方案

根据试验结果，综合考虑，选定方案4为最优方案，该方案下水流撞击消力坎有翻越现象，消能效果明显，主流流经消力池段后，远离右岸，向中部及左岸偏移，水流均匀分布，流态改善情况较好，最后一道消力坎绕坎中心垂线旋转10°时可使混凝土护坦段水流分布均匀，有效降低下游护坦出口处水流流速，减缓下游冲坑冲刷严重的情况。

3.4 方案优化

结合现场施工因素，对最优布置方案4进行了进一步的优化，将连续消力坎中最后一道消力坎桩号位置由0+116.0m处移至0+114.5m处，经试验，该方案对护坦出口处平均流速影响不大。优化方案参数设置见表3，具体平面布置如图3所示，水流流态如图4所示。

表3 最终优化方案参数设置

图3 最终优化方案平面布置图

3.5 河道整治段动床试验

3.5.1冲料粒径计算

为进一步摸清楚苏巴什水库泄水对下游河道的影响，河道整治段采用了动床模拟实验，冲坑的形成模拟采用散粒体法，依照给定的河床抗冲流速，由伊兹巴斯公式计算冲料粒径[6]：

(1)

式中，Vs—抗冲流速，m/s;K—经验系数，其取值范围一般为5～7m/s。

图4 最终优化方案各特征部位水流流态

由苏巴什水库地质勘察报告可知：河床表层5m厚砂砾石层Vs=0.4m/s，中层5m厚砾岩Vs=2.5m/s，下层灰岩Vs=5m/s[7]。由式(1)取K=6m/s计算可得模型冲料粒径分别为0.11、4.34、17.36mm，实际模型冲料粒径范围为表层12.5cm厚0.1～0.2mm、中层12.5cm厚4.0～5.0mm、底层15～20mm。

3.5.2动床冲刷模拟

苏巴什水库动床冲刷模拟按泄水建筑物最大下泄流量350m3/s进行，共模拟2种工况，工况1基于泄水建筑物现状体型下，工况2基于最终优化方案。每种运行工况下游动床冲刷试验均保持冲刷历时5h以上，即原型约为31h。

工况1：在泄水建筑物现状体型下，随着流量的增加，沿程水流主流始终偏于右岸，消力池段内出现局部回流现象，消力池末端至护坦末端亦出现不同程度上的折冲水流，水流流态较乱。随着流量的持续加大，达到最大下泄流量350m3/s时，消力池消能效果明显欠佳，右岸边墙以及河道整治段出现明显的局部冲刷现象，靠近右边墙部位和交通桥防冲齿墙附近冲刷严重，护坦出口处最大冲坑深度为10.6m，下游交通桥防冲齿墙处最大冲坑深度为9.6m，。冲刷后地形如图5所示。

工况2：在增加连续消力坎后可有效降低下游护坦出口处水流流速，减缓下游冲坑冲刷严重程度，使得冲坑范围减小，并将底孔泄洪冲砂闸沿右侧边墙的集中束流导向河道中部偏左岸。其中，护坦出口处最大冲坑深度为8.22m，下游交通桥防冲齿墙处最大冲坑深度为7.70m，冲刷后地形如图6所示。

4 结论与建议

结合新疆柯坪县苏巴什水库工程泄水建筑物现状进行消力池消能防冲优化试验，得出以下结论与建议。

(1)挑流扭坎可起到导流作用，但不能有效降低护坦末端流速，消能效果不明显；导向坎可加大水流碰撞，过流断面流速、水深分布均匀，结合消力坎消能，大幅度降低护坦出口流速，但由于其高度受到实际工程限制，故取消导向坎的设置；消力坎主要起到增加消力池池深的作用，加大池内水流碰撞翻滚，池内明显形成水流撞击、回流等现象，消能效果良好。

图5 工况1下游河道整治段冲坑地形

图6 工况2下游河道整治段冲坑地形

(2)原方案未设置辅助消能工时，仅靠底流式联合消力池自身消能，消能效果不理想，泄水建筑物下游主流集中于右岸，对右岸边墙和下游河床冲刷严重；最终优化方案下水流撞击消力坎有翻越现象，消能效果明显，主流流经消力池段后，远离右岸，向中部及左岸偏移，水流均匀分布，流态改善情况较好，最后一道消力坎绕坎中心垂线旋转10°时可使护坦段水流分布均匀，有效降低下游护坦出口处水流流速，减缓下游冲坑冲刷严重的情况。