水庫設計方案優化分析

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1工程概況

五嘎沖水庫是馬別河規劃的龍頭水庫，馬別河屬珠江流域西江水系－南盤江的一級支流，多年平均流量14.3m3/s，多年平均年徑流量4.51億m3。壩址距普安縣城60km，距青山鎮約10km，距興仁縣約50km。本樞紐工程泄水建筑物為3級，混凝土拱壩正常運用時的洪水重現期為100a，非常運用時的洪水重現期為1000a，相應洪水下泄流量分別為1320m3/s和1790m3/s。

2貴州省普安縣五嘎沖水庫設計原方案試驗

2.1泄洪放空底孔對泄洪放空底孔采用局部模型來測定，其幾何比尺Lr=1∶35。當庫水位達到校核水位1338.39m時，流量系數達到最大為0.801，試驗泄流量為530.3m3/s，比設計計算的泄流量多下泄21.3m3/s。因此，該泄洪放空底孔的泄流能力滿足設計要求。2.2聯合泄洪2.2.1庫區及溢流堰面流態原設計方案閘門開度情況:在P=3.33%，中孔閘門關閉，2孔閘門開度e=3.66m;在P=1%，3孔閘門開度e=4.74m;在P=0.1%，3孔閘門全開。隨著下泄流量的加大，左孔內的擾動水流范圍也在加大，當下泄流量達到校核流量時，左的擾動水流的范圍超過了2/3的孔口寬度。在P=1%，3孔閘門開度e=4.74m時，閘門開度過大，導致經過閘門的水流為自由溢流，未形成閘孔出流。2.2.2泄流能力隨著下泄流量的增加，含閘墩及邊墩影響的流量系數隨著堰上水頭的增加而增大，當下泄流量達到817m3/s時，流量系數達到最大為0.472。此后，隨著下泄流量的增加，含閘墩及邊墩影響的流量系數隨著堰上水頭的增加而減小。當下泄流量達到校核流量1281m3/s，此時流量系數為0.470，試驗庫水位為，1338.50m，比設計庫水位高0.11m。因此，該溢流表孔泄流能力基本滿足設計要求。在P=3.33%、P=1%和P=0.1%頻率洪水時，聯合試驗庫水位值均小于溢流表孔單獨泄洪的試驗庫水位值。在P=0.1%頻率洪水時，聯合泄洪試驗庫水位為1338.41m，比溢流表孔單獨泄洪的試驗庫水位值低0.09m。當聯合泄洪下泄流量達到校核流量1790m3/s時，試驗庫水位為1338.41m，比設計庫水位高0.02m，故在聯合泄洪校核工況時，其泄流能力滿足設計要求。2.2.3動水壓力試驗在溢流表孔中孔布設7根測壓管和下游護坦處布置21根測壓管。溢流表孔各測點的動水壓力除1#、2#、3#測點外，其余測點動水壓力隨著流量的增大而增大。最大動水壓力出現在6#點，其值為10.89mH2O。最小動水壓力發生在1#測點為－0.1mH2O。護坦內動水壓力值隨著下泄流量的增大而增大，最大動水壓力值發生在護坦內拱壩中心線上，其最大值在0+63.16m斷面中部為36.6mH2O。2.2.4下游流態(定床)溢流堰后接連續式挑坎，堰頂與挑流鼻坎高差為10.703m，挑流鼻坎的反弧半徑為10.0m。在P=3.33%洪水頻率時，反弧最低點水深1.38m，反弧半徑為水深的7.24倍;在設計流量P=1%時，反弧最低點水深1.81m，，反弧半徑為水深的5.52倍;在校核流量P=0.2%時，反弧最低點水深2.74m，反弧半徑為水深的3.64倍。根據《水力計算手冊》(第二版)R=(4－10)hc和長江科學院提出的自由挑射最小反弧半徑公式Rmin=23h/Fr，判斷反弧半徑在設計工況以下是滿足泄流要求的。受泄洪底孔的出流的影響，下游水流的流速是河床右岸要大于左岸。在0+79.66m－0+140m范圍內，河床中部流速高于河床兩側流速。下游的最大涌浪范圍0+70m－0+180m。2.2.5下游流態及沖刷(動床)護坦以后的部分按動床制作的，按3－5m/s的不沖流速選擇沖刷散粒體。試驗中下泄水流入水后，水流翻滾。在0+120m－0+160m是涌浪最劇烈的地方。在設計洪水流量P=1%時，下游沖刷坑最低點高程1243.13m，最大沖刷坑深度16.87m，左岸坡腳最大下切深度11.48m，右岸坡腳最大下切深度13.98m;在校核洪水流量P=0.2%時，下游沖刷坑最低點高程1234.52m，最大沖刷坑深度25.48m，左岸坡腳最大下切深度21.23m，右岸坡腳最大下切深度24.69m。在P=3.33%洪水頻率到設計工況頻率洪水時，下游廠房尾水渠的河床開始淤積。

3基于力學模型試驗的貴州省普安縣五嘎沖水庫設計方案改進分析

3.1修改1方案試驗在本修改方案中，主要是解決左邊孔過堰水流平順的問題。本方案采取的措施為泄洪放空閘門井溢流堰頂以上部分，設置長半軸8.35m，短半軸6.97m的1/4橢圓弧與左邊墩墩頭相切。溢流表孔在P=0.1%工況單獨泄洪時，試驗庫水位僅比設計庫水位高0.03m，已滿足設計的需要。溢流表孔在P=0.1%工況聯合泄洪時，試驗庫水位比設計庫水位低0.06m，其泄流能力滿足設計要求。3.2修改2方案試驗本方案主要是考慮在溢流表孔的鼻坎設置梯形差動式齒坎，。故此，本方案中在溢流表孔鼻坎處設置了3種差動式齒坎消能工。1)方案1的齒坎高度為2.0m，各級流量下，雖較原設計方案的沖刷有明顯改善，但是在齒坎的擴散作用不充分，尤其是在校核工況下齒坎上水舌較厚，下游沖刷坑深度，兩岸坡下切深度較大。2)方案2的齒坎高度為2.5m，該齒坎的高度較為合適，使得出坎水流較為充分起挑和擴散，水舌入水的單寬流量就減小了，沖刷坑深度和兩岸坡下切深度也有明顯的改善。3)方案3溢流表孔齒坎的高度為3.0m，堰頂與鼻坎的落差為7.703m。堰頂和鼻坎落差進一步減小，使得梯形差動齒坎的擴散效果增加不明顯，下游的沖刷坑深度的值較方案2也沒有明顯的減小。4)如果繼續再增加梯形齒坎的高度，則將使得堰頂和鼻坎落差進一步減小，下泄水舌的挑流效果更加的不好。故選定溢流表孔輔助效能工梯形差動齒坎的高度為2.5m。3.3修改3方案試驗故在本方案中，將對左、右邊孔內的差動齒坎位置進行修改，已到達使出坎水流盡量擴散的同時，不對護坦兩岸坡腳造成不利的影響。經過反復的比較，在修改方案2中齒坎方案2的基礎上，將左齒坎靠左邊墻，右齒坎靠右邊墻。在試驗中，左右兩邊孔的出坎水流與中孔出坎水流在空中有較大范圍的碰撞，空中消能效果比修改方案2的要好一些。使得兩邊孔出坎水流向河床集中，但未明顯增加下游河床的沖刷坑深度。3.4弧形閘門開度試驗在初步設計中，設計洪水(P=1%)以下的各級特征洪水均采用調節弧形閘門開度控制泄洪流量。因此，弧形閘門開度試驗內容為:1)各洪水頻率工況下提出閘門開度測試成果，成果見表1。2)測試中孔閘門e=1.0m、e=2.0m、e=3.0m、e=4.0m、e=5.0m、e=6.0m的水位流量關系成果。

4結語

根據本次力學模型試驗，五嘎沖水庫設計方案改進方案為:泄洪放空底孔閘門井與左邊墩之間設置的橢圓曲線;溢流表孔中部梯形差動式齒坎的設置;將左齒坎靠左邊墻，右齒坎靠右邊墻;確定溢流表孔上弧形閘門的開度。采用以上修改方案布置作為終結方案。

參考文獻:

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作者:唐雷 單位:貴州省水利水電勘測設計研究院