和川引水枢纽优化设计控制投资试验分析

王大力 马涛

摘 要：采用水力学计算分析与模型试验相结合的研究方法，对和川引水枢纽工程初步设计方案调整后的泄洪底孔及消力池的水流特性进行了模拟试验研究，验证了设计调整的可行性，对调整后工程投资节约情况进行了计算分析。结果表明：初步设计方案调整后，工程在设计流量和校核流量下，试验测得的库水位皆略低于水力学计算得到的水位值，说明调整后的设计泄流偏于安全。消力池的3种方案在九孔工作闸全开运行时，消能效果相差不大;但在三孔工作闸全开运行时，可能出现局部冲刷问题，综合分析水流流速、水位、施工难度、工程造价等因素，消力池方案推荐在1.5 m深的消力池基础上将尾坎加高0.5 m，其他同原方案;在此基础上，经过计算可知，设计方案调整后可使工程投资节约662万元。

关键词：优化设计;模型试验;投资控制;和川引水枢纽

中图分类号：F282;TV222 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.026

Abstract： This treatise simulated and studied the flow characteristics of the flood discharge bottom outlet and stilling basin after the adjustment of the preliminary design scheme of Hechuan Water Diversion Project， adopted the research method of combining hydraulic calculation analysis with model test， verified the feasibility of design adjustment， calculated and analyzed the project investment saving after adjustment. The results show that after the adjustment of the preliminary design scheme， when the project is under design flow and check flow， the water level measured in the experiment is slightly lower than that calculated by hydraulics， it shows that the designed discharge after adjustment is safe. When the nine discharge service gates are fully open， the three schemes of stilling basin have little difference in energy dissipation effect. However， when the three discharge service gates are fully open， local scour may occur. Comprehensive analysis of flow velocity， water level， construction difficulty， project cost and other factors， in the stilling basin scheme， it is recommended to increase the tail sill by 0.5 metres on the foundation of 1.5 metres deep stilling basin， others are the same as the original scheme. On this basis， the calculation shows that， after the adjustment of the design scheme， it can save the project investment by 6.62 million Yuan.

Key words： optimal design; model test; investment control; Hechuan Water Diversion Project

在工程建設过程中，项目建议书、可行性研究报告和初步设计等前期工作是项目决策者宏观调控的依据，而工程设计是决定整个项目投资的直接因素。为了节约工程投资，项目管理方必须认真审查设计方案，要求设计单位进行设计优化，从而最大限度节约项目投资。

1 工程概况

山西省引沁入汾和川引水枢纽工程位于山西省临汾市安泽县和川镇岭南村东的沁河干流上，是一座以城市及工业供水、农业灌溉为主，兼有防洪等综合利用的水利枢纽工程，总库容1 756万m3，工程概算总投资10 954.6万元，对于解决临汾汾东地区城市生活及工农业用水紧张问题及汾河水生态修复具有重要的作用。

2 设计优化试验分析

2.1 原设计枢纽布置方案

和川引水枢纽由非溢流坝、泄洪排沙底孔等建筑物组成。大坝坝顶全长235 m，坝顶高程900 m，最大坝高27 m，大坝自左向右共分为11个坝段，依次为左岸非溢流坝段（1#～4#坝段）、泄洪排沙洞坝段（5#～8#坝段）及右岸非溢流坝段（9#～11#坝段）。其中泄洪排沙底孔坝段总长97.5 m，泄洪排沙底孔共分12孔，每3孔为一坝段，孔口尺寸为4.5 m×4.5 m，洞底高程均为884 m，为压力短进口型式的无压坝身泄水孔。上游侧布置事故检修平板钢闸门，工作闸门布置在下游侧，为弧形钢闸门，启闭机房设在坝顶下游侧。孔身为钢筋混凝土矩形槽结构，后接矩形消力池，池长41 m，池深3.5 m[1]。

2.2 原设计方案调整原因

（1）初设阶段的泄洪排沙底孔进口底高程为884 m，而河道现状高程为881 m左右，若按884 m进行施工期洪水调节，需要布置4个底孔，导流工程在现有河道布置非常困难，进口底高程降至881 m后，施工期布置3个底孔就能满足导流泄洪要求，导流工程布置简单，可保证施工进度。

（2）初设阶段的泄洪排沙底孔消力池消能防冲洪水标准为500 a一遇，基于对规范的理解和从偏于安全考虑，设计偏于保守。

（3）工程开工时较初设阶段材料价格上涨较大，给工程建设顺利进行造成很大的资金压力[2]。

2.3 方案调整主要内容

（1）泄洪排沙底孔进口底高程由884 m降至881 m，孔数由12孔减少为9孔。

（2）泄洪排沙底孔消力池消能防冲洪水标准由500 a一遇变为50 a一遇，消力池长度由41 m变为30 m，深度由3.5 m变为1.5 m。

（3）泄洪排沙底孔事故检修闸门启闭设备由2台2X400 kN台车变为1台2X400 kN门机，事故检修门由3扇变为2扇。泄洪排沙底孔工作闸门启闭设备由250 kN卷扬式启闭机变为630 kN卷扬式启闭机[2]。

2.4 方案调整的可行性验证

通过水工模型试验验证设计方案调整的科学合理性[3-7]，并将试验结果与水力学计算结果进行了对比分析。

2.4.1 方案调整后的泄洪底孔泄流能力试验验证

（1）库水位与泄流量关系的试验结果。9孔泄洪洞工作闸全开时不同库水位下的泄流量试验结果见表1。

（2）库水位与泄流量关系的水力学计算结果。泄流量qv计算公式[8]为式中：n为泄洪洞孔数;μ为流量系数（取0.893）;ε为侧收缩系数（取0.914）;h2为泄洪洞有压段末端净高（取4.5 m）;H为上游水位与洞底高程之差（设计工况下为11.09 m，校核工况下为17.43 m）;B为泄洪洞净宽（取4.5 m）;g为重力加速度。

9孔泄洪洞工作闸全开时不同库水位下的泄流量水力学计算结果见表2。

（3）试验结果反算得到流量系数。对试验结果反算得到在设计和校核工况下工作闸全开时的流量系数，见表3。

水力学计算时，没有区分边孔和中孔，也未考虑孔数的影响，一律取流量系数为0.893[9]。从试验结果看：试验实测的流量系数略高于0.893，孔数和孔的位置对流量系数有一定的影响，对称孔泄流时流量系数略小，即试验测得的库水位皆略低于水力学计算得到的水位值。

2.4.2 不同池深消力池的消能效果试验验证

试验设计了3种方案，分别为：①消力池长20 m，池深1.5 m;②消力池长20 m，将消力池下挖0.5 m，池深变为2.0 m;③消力池长20 m，在池深1.5 m的基础上，将尾坎加高0.5 m，池深变为2.0 m。试验时在设计工况下，对3种消力池方案3孔和9孔泄洪底孔工作闸全开时各部位不同水位下的流速[10-12]进行测试，试验结果见表4。

可以看出，在9孔泄洪底孔工作闸全开时，各部位流速变化不大，且3种消力池方案的流速相差不大;但在3孔泄洪底孔工作闸全开时，1.5 m深消力池的各部位流速变化较大。方案①在海漫中部及河道进口流速较后两种方案的大，可能产生冲刷问题。

2.4.3 试验最终结论

（1）9孔工作闸全开运行时在设计和校核工况下，试验测得的库水位皆略低于水力学计算得到的水位值，说明调整后的设计泄流偏于安全。

（2）本试验进行了3种消力池方案的消能效果测试，3种情况下消力池内都形成了水跃，9孔工作闸全开运行时各部位水深和流速变化不大，且3种消力池相差也不大。但在3孔工作闸全开运行时，1.5 m深消力池的各部位水深和流速变化较大，且在护坦上出现较高水位，在海漫中部及水流进入下游河道处流速较大，可能产生局部冲刷问题。综合分析水流流速、水位、施工难度、工程造价等，消力池设计建议采用方案③，即在1.5 m深消力池基础上将尾坎加高0.5 m，其他设计不变。

（3）试验中未出现掺气现象，压力洞段也未出现负压。

由水工模型试验结果可知，对原设计方案的调整在技术上是可行的。

3 设计调整后节约投资情况

经优化设计后节约投资情况见表5。可见，通过设计方案调整，可使工程投资节约662万元，在工程建设项目前期阶段，项目管理方和设计方可通过对单个或多个分部工程和单元工程的设计优化，有效实现节约投资的目标，优化设计是项目投资控制的关键环节。

4 结 语

采用水力学计算分析与模型试验相结合的方法，对和川引水枢纽工程初步设计方案调整后的泄洪底孔及消力池的水流特性进行了模拟试验研究，验证了优化设计的可行性，经过计算可知，设计方案调整可使工程投资节约662万元。由此可见，在工程建设项目前期阶段，通过对单个或多个分部工程和单元工程进行设计优化，有效实现节约投资的目标，优化设计是项目投资控制的关键环节。同时，必须对调整方案进行科学论证，保证工程的安全性及合理性。

参考文献：

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[2] 临汾市水利水电勘测设计院.山西省引沁入汾和川引水枢纽工程初步设计局部方案调整报告[R].临汾：临汾市水利水电勘测设计院，2008：3-6.

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[12] 王艳明，陈永灿，冬俊瑞.高坝挑流冲坑流场的数值模拟[J].水动力学研究与进展，1995，10（2）：125-134.

【责任编辑 张华岩】