青峪口水库坝轴线布置水力学数值计算研究

石 磊，田金章，陈 远

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

1 概述

在水库、水电站建设过程中，泄水建筑物的布置一直是工程布置的一个重要问题，合理的布置泄水建筑物，能极大的节省工程投资、方便工程的运营以及改善周边的环境；不同挡水坝体结构的泄水建筑物布置方式不同，对于混凝土重力坝，由于其坝身可以布置泄水结构，所以在工程设计中，经常采用坝身泄水的布置方案；根据工程泄水规模的不同，坝身泄水建筑物布置也不相同；但在工程中设计过程中，混凝土重力坝坝身泄水建筑物一般布置在原始河床部位，这样不但进流条件好，而且泄洪消能建筑物也相对方便布置。此外，由于混凝土重力坝坝身泄水建筑物往往垂直于坝轴线布置，因此，在工程设计过程中，坝址尽量选择在平直的河段，避免选择在弯道河段，这样可以使得水流很好的归槽，对原始河道冲刷小，节省工程投资[1-8]。

在工程实践中，有些水库、水电站工程大坝由于地质条件及环境等因素的限制，坝址不能够布置在平直河段，这种情况下，合理的选择坝轴线在坝址区域平面的布置角度将变得尤为重要。为获得不同坝轴线方案的泄水水力条件，工程中往往采用水工模型试验或者数值模拟两种方法[7-14]。文中针对青峪口水库工程坝轴线的布置，采用数值模拟方法，开展不同坝轴线布置方案的对比分析。

2 概况

2.1 工程概况

青峪口水库是一座以防洪为主，结合供水，兼顾发电的Ⅱ等大二型水库。水库总库容 14 733万m3，防洪库容 8 134万m3，年供水量 1 868万m3。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高74.1 m。

在工程前期勘测设计过程中，因水库上游存在环境保护区，下游存在重点居民生活区，可供坝址选择的河段相对有限，根据地质勘探结果，水库坝址最终布置在弯道河段。此外，水库汛限水位和高水位时泄流量均较大、且运行调度复杂。泄水建筑物的布置存在泄水归槽难度大、流速分布不均匀以及下游河道冲刷等问题[9-10]。

2.2 研究内容

大坝泄水建筑物由溢流表孔与泄洪深孔组成，鉴于溢流表孔、泄洪深孔占用了大部分河道的宽度，坝轴线在弯道河段的布置，一直是工程整体布置的核心问题，选择合适的坝轴线布置，将能很好的解决水库泄洪、消能及下游河道冲刷问题。

推荐方案大坝泄水结构位于坝身中部，包含3个8 m×8 m(宽×高)的泄洪深孔以及3个12 m×19 m(宽×高)的溢流表孔，泄洪深孔靠近发电厂房坝段，溢流表孔位于泄洪深孔坝段右侧(工程布置见图1)，溢流表孔与泄洪深孔均采用底流消能，消力池底板顶高程均为345.0 m。

图1 推荐方案工程平面布置示意

比较方案坝轴线相较于推荐方案逆时针旋转5°，溢流表孔、泄洪深孔及其他相关建筑物结构布置与推荐方案一致。

为详细对比分析以上两种布置方案泄洪消能以及下游河道冲刷等水力学问题的差异程度，采用数值计算分别模拟以上两种方案[11-16]。数值模拟采用递进式渐进网格，在保证计算精度的同时可加快计算进度。推荐方案和比较方案均建立详细尺寸模型，采用上下游水位控制获得水流特性；上游采用库水位边界，下游采用水位流量关系推算水位边界(计算模型见图2)。

其中，研究不同方案溢流表孔进流条件时，按大坝校核洪水位403.3 m时，表、深孔联合下泄11 590 m3/s考虑。研究消能及下游河道冲刷问题时，根据工程消能防冲设计要求，分别按溢流表孔、泄洪深孔单独控泄4 200 m3/s考虑。

3 溢流表孔进流条件研究

对泄水建筑物及上游模拟区域进行建模，模拟范围如图3所示。针对大坝校核洪水位403.3 m时，表、深孔联合泄流11 590 m3/s工况进行数值计算，推荐方案和比较方案的溢流表孔闸孔流态及3孔纵向剖面如图4～图5所示。

图3 上游库区模拟区域示意

图4 推荐方案溢流表孔流态示意

图5 比较方案溢流表孔流态示意

计算结果表明，两个方案计算的溢流表孔泄流能力基本一致，推荐方案左表孔、中表孔和右表孔左右边墙同一桩号的最大水面高程差分别为3.4 m、2.7 m和3.3 m；比较方案左表孔、中表孔和右表孔左右边墙同一桩号的最大水面高程差分别为3.1 m、2.2 m和4.0 m。比较方案闸孔左右两侧水面线的最大高差达4.0 m，在桩号0+42 m附近；而推荐方案闸室左右两侧水面线的最大高差值为3.4 m，在桩号0+7 m附近，两方案的最大水面高程差相差0.6 m。从溢流表孔进流的对称性来看，推荐方案比比较方案稍优。

4 消力池及下游河道流态流速研究

4.1 溢流表孔单独控泄

分别计算溢流表孔在下泄消能防冲设计流量为4 200 m3/s条件下，推荐方案和比较方案的溢流表孔消力池内流态、流速、池内水面线，消力池下游河道右岸边的流速等参数。计算结果如图6～图9所示。

图6 推荐方案消力池流态正视示意

图7 推荐方案沿程流态示意

图8 比较方案消力池流态正视示意

图9 比较方案沿程流态示意

计算结果表明，在溢流表孔单独下泄消能防冲设计流量为4 200 m3/s条件下，推荐方案和比较方案的消力池内流态基本相似，流态均较正常。表孔单独泄流时，两方案消力池内水面线基本吻合，消力池池内水面高程基本维持在365.5 m左右。两方案最大流速也相差不大，推荐方案消力池尾坎断面最大临底流速为5.56 m/s，坝轴线旋转5°的比较方案尾坎断面最大临底流速为5.84 m/s，均位于尾坎断面中部。

消力池下游河道及右岸边的临底流速分布见表1所示，根据流速成果，在溢流表孔下泄消能防冲设计流量为4 200 m3/s条件下，推荐方案消力池下游河道右岸坡顶最大临底流速为5.06 m/s，右岸坡脚最大临底流速为5.26 m/s，均在桩号0+560 m附近；而比较方案的右岸坡顶最大临底流速为4.62 m/s，在桩号0+500 m附近，右岸坡脚最大临底流速为5.47 m/s，在桩号0+560 m附近；推荐方案右岸坡顶最大流速5.06 m/s大于比较方案的坡顶最大流速4.62 m/s，而推荐方案的坡脚最大流速5.26 m/s则小于比较方案的坡脚最大流速5.47 m/s；对右岸边坡最大流速而言，推荐方案的流速小于比较方案。

表1 溢流表孔控泄4 200 m3/s时下游河道流速分布 m/s

4.2 泄洪深孔单独控泄

分别计算泄洪深孔单独下泄消能防冲设计流量4 200 m3/s条件下，推荐方案和比较方案的消力池内流态、流速、池内水面线，消力池下游河道右岸边的流速等参数(计算结果如图10～图13所示)。

图10 推荐方案消力池流态正视示意

图12 比较方案消力池流态正视示意

图13 比较方案沿程流态示意

计算结果表明，在泄洪深孔单独下泄消能防冲设计流量4 200 m3/s条件下，推荐方案和比较方案的消力池内流态基本相似，流态均较正常。比较方案溢流表孔消力池内水面线较推荐方案高约0.5 m，水面高程基本维持在366.5 m左右。在消力池尾坎断面，两方案的横向临底流速分布规律基本相似，最大流速也相差不大，均位于消力池末端的海漫出口处，最大流速在7.0～7.7 m/s波动。

消力池下游河道及右岸边的临底流速分布见表2所示。

表2 泄洪深孔控泄4 200 m3/s时下游河道流速分布 m/s

根据表2可知，在泄洪深孔下泄消能防冲设计流量4 200 m3/s条件下，在消力池末端流速分布上，比较方案在桩号0+250 m左区流速较推荐方案变小；在下游河道流速分布上，推荐方案消力池下游河道右岸坡顶最大临底流速为5.87 m/s，右岸坡脚最大临底流速为5.08 m/s，均在桩号0+560 m附近；而比较方案的右岸坡顶和坡底最大临底流速为5.80 m/s、5.03 m/s，在桩号0+560 m附近。两方案在最大流速位置分布上差别不大，而在桩号0+360 m～450 m坡顶范围内，比较方案流速比原设计方案要略大一些。对右岸边坡流速分布而言，推荐方案的流速小于比较方案。

5 数值计算研究结论

通过数值模拟计算方法对青峪口水库大坝坝轴线布置推荐方案和坝轴线逆时针旋转5°的比较方案的泄洪水流特性进行了计算分析，初步结论如下：

1)在校核洪水位403.3 m、表孔及深孔联合泄流方式下，两种布置方案的泄流能力基本相当。由于表孔位于右岸弯道附近，表孔泄洪时存在非对称进流现象，各溢流表孔闸孔左右两侧同一桩号的水面高程均会产生一定的差值，推荐方案闸孔两侧水面线最大高程差为3.4 m；而比较方案闸孔两侧水面线最大高程差为4.0 m；就溢流表孔进流条件而言，推荐方案稍优于坝轴线旋转5°的比较方案。

2)在溢流表孔下泄消能防冲设计流量4 200 m3/s条件下，两种布置方案的消力池内流态、流速分布、池内水面线等均基本相当，池内水面高程基本维持在365.5 m左右；在消力池下游河道右岸边坡段，推荐方案的最大临底流速为5.26 m/s，而比较方案的最大临底流速为5.47 m/s，两方案泄洪水流对右岸坡的冲刷效果基本相当。

3)在泄洪深孔下泄消能防冲设计流量4 200 m3/s条件下，两种布置方案的消力池内流态、流速分布等均基本相当，比较方案消力池内水面线较推荐方案高约0.5 m，水面高程基本维持在366.5 m左右；在消力池下游河道右岸边坡段，两方案在最大流速位置分布上差别不大，在0+360 m～430 m坡顶流速分布范围内，比较方案流速比推荐方案要略大一些。对下游河道右岸边坡水流流速分布而言，推荐方案的流速小于比较方案。

6 结语

1)数值模拟计算方法的结果显示，推荐方案坝轴线布置在溢流表孔进流、下游河道流速等水力条件方面优于比较方案；相对较好的水力条件使得推荐方案更加经济。

2)通过采用数值模拟计算方法对青峪口整体工程布置进行三维水力学计算，解决了工程坝轴线布置选择的问题，可为国内外类似工程提供参考。