磨坝峡水源工程泄洪冲沙中孔及出口窄缝消能设计

李 涛，但 颖

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.长江水利水电开发集团(湖北)有限公司，湖北 武汉 430010；3.国家大坝中心，湖北 武汉 430010)

1 工程概况

受2008年“5·12”汶川地震影响，甘肃省成县城区供水设施受到不同程度的破坏，尤其是作为主要供水水源的青泥河孙家坝水源水质进一步恶化并危及到城区供水安全。为尽快恢复因汶川地震受损的城市供水基础设施，保证成县城区居民生产、生活用水安全，提高城区居民的身体健康水平，加快城市化建设步伐，促进成县社会经济可持续发展，磨坝峡水源工程作为灾后恢复重建项目正式列入世行优惠贷款项目的建设序列。磨坝峡水源工程由水库，输水线路及水厂等组成。

磨坝峡水库位于南河主流沿河与支流二郎河的交汇下游200m处，坝址距成县县城11km，总库容1790万m3，兴利库容1040万m3，正常蓄水位1092.68m，设计洪水位1096.38m，校核洪水位1098.52m，是一座以城市供水为主的年调节水库。工程规模为Ⅲ等中型，主要建筑物为3级，其中碾压混凝土重力坝提高一级按2级建筑物设计，次要建筑物为4级。

枢纽主要建筑物包括碾压混凝土重力坝、泄洪冲沙中孔、取水建筑物及管道等组成。大坝为碾压混凝土重力坝，左、右岸布置非溢流坝中部设溢流坝，坝轴线长136.50m，最大坝高91.4m，坝顶宽度10.0m。溢流坝段采用开敞式WES溢流面，下游采用挑流消能。溢流坝段右侧布置泄洪冲沙中孔。取水建筑物布置于右坝肩，过水断面为圆形，出口段由钢筋混凝土管接2根圆形输水压力钢管，下游设1分流管作为下游河道的生态基流。枢纽平面布置如图1所示。

图1 枢纽平面布置图

2 泄水方案布置

磨坝峡水库坝址以上多年平均径流量为4352万m3，设计、校核洪峰流量分别为865m3/s(P=2%)、1410m3/s(P=0.2%)。由于库区天然洪峰来量较大，初步设计阶段提出“重力坝溢流表孔+坝身泄洪冲沙孔”、“重力坝溢流表孔+右岸泄洪冲沙隧洞”两种运用方式。考虑到表孔对碾压混凝土施工影响小、后期运行维护简单、工程投资省等优点，但坝顶溢流表孔前缘宽度受河谷宽度限制，若采用无闸控制，其自身泄流能力无法满足泄洪要求，同时结合冲沙需要，满足重力坝下游河床防冲要求，需另设泄洪设施。

3 泄洪冲沙孔设计

3.1 结构布置

根据《甘肃省成县城区供水磨坝峡水源工程可行性研究报告》批复，结合大坝上下游地形地质条件，导流隧洞等建筑物布置、溢流泄洪以及主河床消能防冲特点，并考虑如下4个因素：①泄洪出流避开溢流坝泄洪出流；②泄量和流速均较大，孔洞轴线布置尽可能平顺；③采用的消能工措施应减轻泄流对岸坡的不利影响，并利于下游河床两岸边坡的稳定；④尽可能减少工程量，节省工程投资等因素，通过方案比选确定在碾压混凝土重力坝靠右岸坝体内布置泄洪冲沙中孔。

泄洪冲沙中孔紧邻溢流坝段右侧，主要由进口段、孔身段、出口段和启闭机房等组成，总长46.93m。进口段设工作和事故检修平板钢闸门，固定式卷扬机启闭。

进口段设有压进水口，由喇叭口、闸门控制段、检修平台和启闭机房组成。进口孔底高程1042.0m，进水口平面为喇叭形，总长4.70m。工作闸门和事故检修闸门门槽尺寸均为1.0m×4.7m，检修门和工作门孔口尺寸均为3.5m×4.8m(宽×高)，工作闸门和事故检修平板钢闸门均由固定式卷扬机启闭。

孔身段断面为矩形，过流断面尺寸为3.5m×4.8m(宽×高)，总长36.57m。考虑到孔洞过流速度较大和出口挑流归槽等因素，在离洞口8.83m处为起点设一平曲线，平面弯曲半径26.8m，偏转角为5°。

出口段断面为矩形，总长5.66m。采用挑流式消能，归槽水流落入溢流坝下游消力池中。挑坎高程1043.6m，反弧竖曲线半径为11m，中心角为37°，出口断面尺寸为3.5m×4.72m(宽×高)。

在进口段上部设工作闸门和事故检修门检修平台和启闭机房，为排式框架结构，闸门检修平台高程1097.3m，启闭机房室内地面高程为1106.1m、层高3m。

3.2 泄流能力计算

3.2.1中孔水流流态判别

(1)无压流至半有压流的界限值确定与判别

根据《水力学计算手册》，当H/a<1.2为无压流，否则为半有压流。

泄洪冲沙中孔孔洞底高程1042m，孔洞高a为4.8m，设计水位为1092.7m，即H/a=10.56>1.2；故在设计水位时泄洪冲沙中孔水流为有压流。

(2)半有压流与有压流的界限值计算与判别

半有压流与有压流的界限值k2m的计算公式为：

(1)

半有压流与有压流判别：

当H/a>k2m时为有压流；

当1.2

以中孔底高程为1042.0m为起点进行试算，并确定半有压流与有压流界限水位值。经计算可知：水位1047.76m为有压与无压流的临界水位，水位1051.84m为有压与半有压流的临界水位。当水位低于1047.76m时为无压出流，当水位高于1051.86m时为有压出流，当水位位于1047.76～1051.86m之间时为半有压出流。

3.2.2泄流能力计算

按水库防洪调度要求，参与水库调洪时的水位为设计水位，即当库水位超过1096.38m时启用泄洪冲沙中孔泄洪，根据以上判别中孔按有压流进行泄流能力计算。

泄流能力计算公式为

(2)

(3)

式中，μ—流量系数；ω—出口断面面积，m2；g—重力加速度，m/s2；H0—计算断面上下游总水头差，m。

泄洪冲沙中孔泄流能力计算成果见表1。

表1 泄洪冲沙中孔泄流能力

经计算，在正常蓄水位时启用泄洪中孔，其挑距约70m，离坝脚有一定安全距离。

4 泄洪冲沙中孔设计及试验优化

磨峡坝水源工程所处天然河道狭窄(宽约30m)，基岩为灰岩，抗冲流速较小，溢流坝泄洪冲刷引起的坝体稳定、两岸山体边坡的稳定以及泄洪冲沙中孔泄洪对狭窄河道的对岸顶冲等消能防冲问题较为复杂，单独泄流及联合泄流的相互影响依据水力学计算无法能够满足规范要求，往往通过模型试验来验证，为了找出精准射流落点区域，保证工程安全运行及节约投资，我公司委托长江科学院进行水工模型试验，对磨峡坝水源工程溢流坝和泄洪中孔的泄流能力、消能防冲效果以及溢流坝和泄洪中孔自身的空蚀等问题进行专门试验研究，为工程设计提供科学依据。

根据试验研究内容和目的，按重力相似准则并保证原型和模型的几何相似，模型比尺为1∶70，整个模型包括上游水库500m范围、溢流坝表孔、泄洪冲沙中孔及下游800m河道。在中孔的特征位置布置了5个水尺测点和33个时均压力测点。本试验按模型砂石散粒体抗冲流速与原型河床基岩抗冲流速相似的方法研究泄洪消能防冲问题。

4.1 设计方案及模型试验成果分析

根据设计提供的初步方案，泄洪冲沙中孔设计泄洪流量为353m3/s，工作闸门为平板闸门，布置于中孔的进口前端；孔底高程1042m，孔身标准断面为3.5m×4.0m(宽×高)；洞身在平板闸门后发生平面转弯，转弯半径为26.4m，转弯角度14°，出口采用常规挑流消能。

模型试验发现如下问题：中孔出射水舌横向扩散扩散不充分，落水点右侧离右岸护坡约8m，左侧撞击溢流坝的右边墙，并与溢流坝下泄水舌重叠，消能防冲效果不理想。中孔的平面转弯段内侧壁和出口段洞顶壁面均存在空化空蚀的可能。

4.2 模型试验优化

根据初步试验反馈意见，设计人员将中孔出口顶面改成压坡，出口尺寸变成3.5m×2.8m；在泄洪中孔有压段后增加一明流段，采用窄缝消能工，中孔出口及窄缝消能工体型尺寸如图2所示，优化后的水流流态如图3所示。

图2 中孔出口及窄缝消能工体型尺寸

图3 优化方案水流流态

根据模型试验成果计算设计水位条件下，联合泄洪的泄量为892m3/s，较设计值偏大3.1%，其中中孔泄量249m3/s。校核水位1098.52m下，联合泄洪的泄量为1571m3/s，较设计值偏大11.4%，其中中孔泄量257m3/s。在各级流量下，采用窄缝消能工可使泄洪冲沙中孔的出口水流纵向拉伸，水流落点分散。在设计流量条件下，水舌入水区范围距坝脚9.0～70.0m，距右岸护坡的范围6.3～9.8m。在校核流量条件下，水舌入水区范围距坝脚10.5～91.0m，距右岸护坡的范围6.7～12.0m。

经方案优化以后，中孔沿程各点的时均压力均得到提高，水流空化空蚀特性得到大幅改善。在设计流量条件下，中孔断面平均流速由原来的25m/s降低至17.8m/s，中孔孔身水流空化数均大于2.0。由于泄洪中孔平面转弯半径较小、转角较大，在闸门启闭过程中出现洞内明流折冲和螺旋水流现象，以致窄缝消能工水舌左右摇摆，可能冲击右岸边坡；而且高速螺旋水流在明流方洞段极易产生空化空蚀。因此，需对泄洪中孔的平面布置进行重新设计，并对台阶溢流坝的边墙布置进行优化。

4.3 新中孔设计方案及模型试验成果

鉴于上次泄洪冲沙中孔布置上存在的问题，结合洞身尺寸偏大等因素，对泄洪冲沙中孔再次进行调整，主要针对明满交替流段的洞身平面转弯半径、转角及出口窄缝消能工等。新中孔方案的主要参数为：洞身标准断面3.0m×4.4m(宽×高)，进口前13.60m洞身与坝轴线正交，后接半径135.00m的平面圆弧段，转角7°，圆弧后接长15.64m的有压直段，出口顶部加压坡后断面尺寸为3.0m×3.8m(宽×高)，压坡坡比1∶6；有压段出口后接长6.65m的直段明槽，再接窄缝收缩段，窄缝出口宽度为1.40m，左侧边墙末端距明槽中心线1.05m，右侧边墙末端距明槽中心线0.35m；明槽及窄缝段边墙高度7.70m。

模型试验成果表明在设计水位条件下，联合泄洪的泄量为937m3/s，较设计值892m3/s偏大8.3%，其中中孔泄量279m3/s。在校核水位条件下，联合泄洪的泄量为1613m3/s，较设计值1410m3/s偏大14.4%，其中中孔泄量290m3/s。

鉴于泄洪冲沙中孔的模型糙率比实际要求的糙率偏大约15%，初步估算泄洪中孔的实际泄量将增大3%～5%。因此中孔的泄流能力满足设计要求，联合泄洪能力比设计值大5%～6%。本方案模型试验也显示中孔出口窄缝水舌纵向拉开充分，中孔水舌在距坝脚26.6～71.4m的范围落入下游河道，水舌落水点范围距右岸护坡10.2～15.8m。在校核流量条件下，中孔水舌入水范围距坝脚25.2～73.5m，水舌落点范围距右岸护坡9.1～15.4m。在设计和校核流量条件下，联合过洪时的中孔各测点时均压力及水流空化数中孔所有位置均未出现负压，测点时均压力均在6.0×9.81kPa以上；除有压洞尾部压坡段外，包括门槽段在内的其它部位的水流空化数均在1.0以上，表明该中孔体型方案较好地解决了洞身的空化空蚀问题。在设计流量条件下，下游河床冲刷最低高程为1017m，位于距离坝脚约61m的河道中心；护坦上有大量砂石堆积，距坝脚20m以后靠右岸更为明显，淤积最大高程为1025m；离坝脚108m以后的河床全断面淤积，淤积长度约60m，平均淤高5m。在校核流量条件下，下游河床冲刷最低高程为1015m，位于距坝脚约70m的河道中心；护坦上离坝脚10.5m以后靠右侧2/3的范围内有大量砂石淤积，淤积最大高程1026m。离坝脚120m以后的下游河床靠左岸大范围淤积，沿河道纵向淤积长度约54m，平均淤高5m；河道右岸边淘刷较严重，形成冲刷沟，冲沟最低高程1024m。

本次模型试验研究了溢流坝和泄洪中孔分别单独运行时的下游冲淤情况。流量276m3/s时中孔单独泄洪所形成的下游河床冲淤形态如图4所示。在给定流量条件下，中孔单独运行在下游河床形成的最低冲刷高程为1017m，位于距坝脚约63m的河心位置。护坦上没有砂石淤积，离坝脚103m以后的左侧河道淤积，淤积宽度20～30m，长度约60m，最大淤积高程1035m。

图4 中孔单独泄洪的下游冲淤形态

经过设计、科研人员的多次调整优化，本次水工模型试验获得了比较好的效果，最终确定的泄洪冲沙中孔结构布置如图5所示。

图5 泄洪冲沙孔结构布置图

5 施工及运行的情况

磨坝峡水源工程初设批复总投资约2.03亿元，工程于2013年10月开工，2017年10月底进行了下闸蓄水验收。2019年7月进行了合同完工验收。运行至今已有5年时间，消能效果良好。

6 结语

甘肃成县磨坝峡水源工程所处河谷狭窄，采用溢流表孔+坝身泄洪冲沙孔的运用方案。泄洪冲沙中孔承担着水库泄洪和冲沙的功能，对保障工程建成后的安全运行具有重要作用，通过水工模型试验的方法对泄洪冲沙中孔泄流和出口窄缝消能的开展了分析和优化设计，不仅改善了孔身压力特性，减小了发生空蚀的可能性，也较好的解决了中水头、狭窄河床和陡高岸坡特点消能防冲问题以及减少对大坝抗滑稳定及两岸建筑物的影响，可为同类工程提供借鉴参考。