托帕水库整体水工模型试验研究

张林波

(黄河水利委员会河湖保护与建设运行安全中心，河南 郑州 450003)

1 工程概况

拟建的托帕水库是新疆维吾尔自治区恰克玛克河上控制性水利枢纽工程，主要承担灌溉、防洪等任务，工程建成后可以提高水资源利用效率，解决恰克玛克河流域灌区季节性缺水问题；也可将下游河道的防洪标准从5年一遇提高到10年一遇。该水利枢纽工程主要由拦河坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪洞、灌溉洞等组成。在设计过程中，为研究各泄水建筑物布置的合理性、泄洪冲沙洞和溢洪洞体型的优劣及下游消能情况，建造了整体水工模型，通过试验验证设计的合理性，并提出修改建议。

2 模型设计

新疆克州恰克玛克河托帕水库整体水工模型设计为正态模型，根据试验任务要求和水工(常规)模型试验规程[1-2]，几何比尺取1 ∶60。

本次模型下游冲刷试验采用抗冲流速相似法进行模拟。根据设计部门提供的资料，托帕水库左岸泄水建筑物出口地质情况如下：上部为坡洪积物，岩性为碎石土，碎石土抗冲流速为1.0m/s左右；下部为基岩，岩性为灰岩，基岩(灰岩)抗冲流速为5.0～6.0m/s。

根据水工(常规)模型试验规程，当模型采用散粒体模拟时，可采用依兹巴什公式计算散粒体粒径：

(1)

式中：V为基岩抗冲流速,m/s；D为散粒体粒径,mm。

模型沙粒径采用式(1)计算，可得模拟碎石土散粒料粒径D50=0.5mm，模拟基岩散粒料粒径D50=15mm。

托帕水库整体模型[3]范围包括大坝上游库区500m、坝体、泄洪冲沙洞和溢洪洞及大坝下游河道700m。模型长20m，宽约8m，高1.2m左右。

上下游河道部分采用水泥砂浆粉制作，溢洪洞、泄洪冲沙洞进口段等全部采用有机玻璃制作。模型进口流量用电磁流量计控制，库水位和压力用玻璃连通管量测(最小读数精度为1mm)，流速采用LS-401型螺旋流速仪测量，脉动压力采用DH5902型动态数据采集仪和CYB90S数字系列压力传感器量测，采用纸花观测水流流向，采用摄像技术进行流态、流场描述。模型布置见图1。

图1 模型范围

3 试验成果

3.1 施工导流期模型试验成果

泄洪冲沙洞布置在左岸，施工导流期主要承担导流的功能。试验观测了导流期10年一遇洪水和50年一遇洪水两种工况下导流泄洪冲沙洞流态。结果表明，在导流洞原设计出口体型下，由于出口挑流鼻坎坎顶高程高，10年一遇以下洪水时，在工作闸门下游明流挑坎段形成壅水，导流洞出口不能形成完整的挑射水流，将导流期泄洪冲沙洞挑坎段由挑流鼻坎型式调整为平底出流后，水流比较平顺地挑入下游河道。泄洪冲沙洞出口水流流态见图2。

图2 各级工况下泄洪冲沙洞出口水流流态

试验观测了泄洪冲沙洞导流期间的水位流量关系，见图3。试验结果表明，10年一遇洪水时，试验量测导流洞泄量为178.5m3/s，较设计值大2.9%。50年一遇洪水时，试验量测导流洞泄量为306.5m3/s，较设计值大9.6%，满足设计要求。

图3 泄洪冲沙洞导流期水位流量关系

3.2 正常运行期模型试验成果

试验首先量测溢洪洞和泄洪冲沙洞全开、局开时水位流量关系，见图4～图5及表1～表2。结果表明，溢洪洞闸门全开和设计洪水位时，试验量测溢洪洞泄量为933m3/s，较设计值小2.0%；校核洪水位时，试验量测溢洪洞泄量为1180m3/s，较设计值大1.6%，其差值均在±2.0%以内，基本满足设计要求。

图4 溢洪洞闸门全开时水位流量关系曲线

图5 泄洪冲沙洞闸门全开时水位流量关系曲线

表1 不同库水位下溢洪洞闸门局开时流量统计

表2 不同库水位下泄洪冲沙洞闸门局开时流量统计

试验量测泄洪冲沙洞闸门全开和设计洪水位H=2394.52m时，泄洪冲沙洞泄量为501m3/s；校核洪水位H=2396.1m时，泄洪冲沙洞泄量为511m3/s，比设计计算值大13%，满足设计要求。

根据设计单位提供的溢洪洞和泄洪冲沙洞联合运用的试验工况(见表3)，对两种水位运行工况下的水流流态、洞身流速、空蚀空化、水舌、出口流态等进行了试验，并给出了合理的建议和分析。

表3 正常运行期各运行工况特征

3.2.1 水流流态

试验结果表明，溢洪洞和泄洪冲沙洞进口均未出现漩涡；水流经引渠进入溢洪洞，在进口闸墩附近产生绕流，特别是右侧墩头绕流严重，造成进流不均匀，再加之进口段坡度较陡，且在陡坡段洞身由14m宽收缩至8.5m宽，在洞内产生水冠，由于进流的不对称导致洞内冲击波左右摆动，洞内水面起伏较大，在桩号0+115.846处左侧水面凸起，凸起高度约为3.0m，直至影响到出口鼻坎，挑流水舌厚薄不均。

针对溢洪洞进口出现的不良流态，对其进口渠道体型进行修改，经多组试验比较，将溢洪洞进口渠道裹头曲线方程调整为X2/102+Y2/62=1后，溢洪道进口水流比较均匀，未出现绕流现象(见图6)，洞内水流居中，不再左右摆动(见图7)。

图6 溢洪洞进口水流流态

图7 溢洪洞洞身水流流态

3.2.2 空蚀空化

表4为溢洪洞各断面测点水流空化数σ的计算值。从表4可以看出，溢洪洞各部位水流空化数在0.54～1.06之间，由于洞身各断面平均流速均小于30m/s，按照规范要求，洞身段可以不设掺气槽。

表4 各工况下不同断面水流空化数

3.2.3 出口挑坎水力特性

试验对两种工况下挑流水舌的特性进行了观测。结果表明，两种工况下两股挑流水舌厚薄都不均匀，挑流水舌的特征见表5。设计水位工况下，溢洪洞水舌挑距大于泄洪冲沙洞水舌挑距，校核水位工况下，溢洪洞和泄洪冲沙洞水舌最远落入点差不多在一条直线上。

表5 正常运行期挑流水舌特征

为了提高溢洪洞和泄洪冲沙洞的消能效果，减轻水流对下游冲刷和对开挖渠道两岸的淘刷，经多组试验比较，将溢洪洞出口改为单边扩散鼻坎，泄洪冲沙洞出口挑坎改为差动式挑流鼻坎后，挑射水流消能效果显著，见图8～图9。

图8 溢洪洞、泄洪冲沙洞出口水舌曲线(泄洪冲沙洞开度1.30m，溢洪洞全开)

图9 溢洪洞、泄洪冲沙洞出口水舌曲线(泄洪冲沙洞、溢洪洞均全开)

4 结 论

通过托帕水库整体水工模型试验，得出以下主要结论：ⓐ导流期泄洪冲沙洞挑流鼻坎改为平底出流后，水流平顺挑入下游河道；ⓑ正常运行期，溢洪洞进口渠道裹头曲线方程调整为X2/102+Y2/62=1后，进流比较均匀；ⓒ正常运行期，溢洪洞出口改为单边扩散鼻坎、泄洪冲沙洞出口改为差动式挑流鼻坎后，挑射水流消能效果显著。

试验研究成果均被托帕水库工程设计采用，效果良好，为枢纽工程建设提供了科技支撑。该工程为促进我国西部偏远地区经济发展做出了贡献，产生了较大的经济、社会、环境效益。