王秋鵬

（山西省汾河二庫(kù)管理局，山西 太原 030012）

1 大壩泄洪建筑物概述

汾河二庫(kù)樞紐大壩泄洪任務(wù)由泄洪底孔、溢流表孔和供水發(fā)電隧洞共同承擔(dān)，其中溢流表孔壩段布置于河床中部，共3孔，泄流底孔對(duì)稱布置于溢流表孔兩側(cè)，每側(cè)各布置2孔。

泄流底孔長(zhǎng)68.25m，進(jìn)口段長(zhǎng)7.465m，底高程859.0m，為5.8m×7.2m的矩形斷面，設(shè)平板事故檢修門；壓力洞段長(zhǎng)28m，斷面尺寸為5.8m×7.2m；出口收縮段長(zhǎng)7.2m，孔口尺寸為5.8m×6m，出口設(shè)弧形工作閘門控制；門后為9.4m平流段接擴(kuò)散挑流鼻坎消能工，擴(kuò)散段長(zhǎng)16.2m，側(cè)墻以1∶9向下游擴(kuò)散，反弧段長(zhǎng)13.7m，反弧半徑28.0m，挑射角27°，鼻坎高程862.05m。

溢流表孔壩段每孔凈寬12m，為開敞式溢流堰，堰頂高程902.0m，堰面曲線采用冪曲線，公式為y=0.099xl.85，堰面曲線與坡比為1∶0.75的斜直溢流面相切。斜直線段下接反弧段，反弧段圓心角為53.13°，反弧段最低點(diǎn)高程為866.29m，反弧半徑15.0m，挑角25°。挑流鼻坎為連續(xù)式，挑坎高程為861.7m。溢流堰面曲線的原點(diǎn)上游堰面由1/4橢圓曲線組成，橢圓曲線與豎直線壩面切點(diǎn)的高程為900.88m。自高程857.7m以下，壩上游面坡比為1∶0.2。

汾河二庫(kù)總庫(kù)容1.33億m3，設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為100年一遇，校核洪水重現(xiàn)期為1000年一遇。正常高水位905.7m，相應(yīng)下游水位855.7m（地下水位），汛限水位905.7m；設(shè)計(jì)洪水位907.32m，相應(yīng)下游水位859.8m，相應(yīng)下泄流量3450m3/s；校核洪水位909.92m；相應(yīng)下游水位861.15m，相應(yīng)下泄流量5168m3/s。從利于排沙和便于運(yùn)行操作角度考慮，水庫(kù)遭遇100年一遇和小于100年一遇洪水時(shí)由泄流底孔泄洪，大于100年一遇洪水時(shí)，由泄流底孔、溢流表孔和供水發(fā)電隧洞共同泄洪。

2 基本資料

河道模型按照山西省水利設(shè)計(jì)院1995年實(shí)測(cè)地形圖進(jìn)行制作。

河道模型巖石與土或砂卵石分界線由山西省水利設(shè)計(jì)院地質(zhì)勘察隊(duì)提供，兩岸除電站平臺(tái)按防洪堤進(jìn)行模擬外，其余按直立巖石坡度考慮。河床砂卵石覆蓋層平均厚度按26m考慮，大壩處基巖高程平均按830m考慮，基巖邊界按定床、砂卵層按動(dòng)床試驗(yàn)。兩岸建筑物均按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行模擬。

河床覆蓋層模擬是依據(jù)壩基探坑顆分資料，采用天然砂作為模型砂，按照級(jí)配曲線進(jìn)行選配。由于小顆泥沙在沖刷過(guò)程中對(duì)河道沖淤變化影響較小，故模型砂中大于0.1mm的部分嚴(yán)格按級(jí)配曲線控制，約占70%以上，小于0.1mm的部分占總量30%。

根據(jù)調(diào)洪演算下泄流量過(guò)程，泄水過(guò)程概化為5個(gè)流量等級(jí)、7個(gè)流量時(shí)段進(jìn)行模擬。

3 分級(jí)泄洪消能及下游河道沖刷模擬

3.1 大壩下游河道流態(tài)及流速分布

當(dāng)下泄流量為440m3/s時(shí)，局部開啟一底孔閘門，雖然沖刷區(qū)回流有一定范圍，也不對(duì)稱，但不會(huì)對(duì)工程有危害，主流沿原河槽流動(dòng)。

當(dāng)下泄流量為877m3/s時(shí)，如開啟右側(cè)一孔后，沖刷區(qū)明顯不對(duì)稱，左側(cè)為較大回流區(qū)，回流可至左岸，達(dá)壩腳，但強(qiáng)度很弱，不會(huì)造成危害。電站防洪堤首部水流比較平穩(wěn)，僅達(dá)4.5m3/s，沖刷不嚴(yán)重，河流維持原河道流勢(shì)。

大壩泄流為較小流量時(shí)，除水舌入水處及其附近流速高、沖淤變化大外，其余地段流速均較小。當(dāng)下泄流量為1740m3/s時(shí)，如左右側(cè)各開一孔閘門，壩后沖刷區(qū)水流對(duì)稱，流態(tài)比較平穩(wěn)，水舌入水處左側(cè)雖受地形影響，逆時(shí)針回流較大，但回至水舌入水處即基本結(jié)束，危害不大，對(duì)壩腳沒有影響。電站防洪堤首部水流在橫斷面上分布比較均勻，斷面流速分布、水深等均比較接近。受彎道水流的影響，凹岸形成沖刷，凸岸形成淤積。

各處流速一般均小于巖石抗沖流速，電站防洪堤首部流速最大僅5.3m/s，沖刷不嚴(yán)重。該流量介于10～20年一遇洪水之間，時(shí)段比較長(zhǎng)，河床基本達(dá)到?jīng)_淤平衡。

當(dāng)下泄流量為3579m3/s時(shí)，（庫(kù)水位907.32m，為水庫(kù)100年一遇泄量），大壩4個(gè)底孔同時(shí)泄洪，壩后沖刷區(qū)流態(tài)基本對(duì)稱。壩腳處流速很小，下游左側(cè)150m處因地勢(shì)開闊，有逆時(shí)針回流，但回流范圍不大，流至水舌入水處而匯入主流，對(duì)壩腳無(wú)影響。沖刷區(qū)兩岸陡崖處流速基本小于巖石的抗沖流速，只有個(gè)別點(diǎn)流速接近6m，壩腳水位接近挑坎高程。彎道以后的水流比較穩(wěn)定。

當(dāng)下泄流量為5168m3/s時(shí)（庫(kù)水位909.92m，為水庫(kù)1000年一遇泄量），因流量大，河道水位上升高，壩后沖刷區(qū)、水舌前沿寬度占河道寬度的80%以上。加之河道水深大，岸邊流速均較小，水流比較穩(wěn)定，壩腳部位比較安全。

3.2 大壩下游河道沖淤變化

大壩修筑以后改變了原河床水力條件。大壩泄洪時(shí)，無(wú)論泄量大小都會(huì)引起河道在一段距離內(nèi)的沖淤變化。各級(jí)流量河道沖淤情況如下：

當(dāng)一孔泄洪時(shí)（如右邊孔開啟，泄洪流量為877m3/s），除水舌入水區(qū)右岸陡崖接觸沖刷局部高程可達(dá)840m外，其余部位均無(wú)嚴(yán)重沖刷，壩腳床面高程為850m以上。下游河床沿兩岸凹岸為主流沖刷區(qū)，最大沖深達(dá)840m，但對(duì)大壩沒有影響。

當(dāng)兩孔開啟時(shí)（庫(kù)水位905.7m，泄洪流量為1754m3/s），左右側(cè)各開一孔，壩后沖刷坑區(qū)的沖淤變化基本對(duì)稱，大壩下游約100m處沖坑較深，最深點(diǎn)高程839.17m。壩腳處床面高程在850m以上，沖坑對(duì)大壩安全無(wú)影響。下泄該流量對(duì)下游建筑不會(huì)造成破壞。

當(dāng)泄洪流量達(dá)100年一遇流量時(shí)，4個(gè)底孔全部泄洪，由于水流對(duì)稱，回流不大，壩腳沖刷不大，河床高程850m以上，沖刷區(qū)沿兩岸的接觸沖刷最深點(diǎn)高程可達(dá)840m，對(duì)大壩安全無(wú)影響。大壩下游其他建筑物，除局部地段受淤積危害外，不存在沖刷危害。對(duì)建筑安全不會(huì)造成威脅。

當(dāng)泄洪流量達(dá)1000年一遇校核流量時(shí)（流量為5168m3/s，庫(kù)水位909.92m），因河道流量分布均勻，流速較小，壩腳河床高程仍在850m以上，左岸852m，右岸855m。由于受地形影響，左岸回流較大，強(qiáng)度較高，在大壩下游約120m處，沖坑最深點(diǎn)達(dá)833.08m。對(duì)大壩安全無(wú)影響。大壩下游建筑物沖、淤危害基本與100年一遇情況相同。

綜上所述，大壩按分級(jí)泄流時(shí)，泄洪沖坑深度未達(dá)壩腳基巖，泄洪沖刷不會(huì)對(duì)大壩及下游其他建筑構(gòu)成安全威脅。電站尾水渠出口淤積危害可用人工方法清除解決。

4 連續(xù)泄洪消能及下游河道沖刷

為了解洪水在連續(xù)過(guò)程中河道的流態(tài)變化，主要部位的水位、流速及沖淤變化，以便與分階段試驗(yàn)資料進(jìn)行比較，故對(duì)100年一遇洪水過(guò)程按流量分級(jí)進(jìn)行連續(xù)泄洪試驗(yàn)，進(jìn)行各級(jí)流量的流態(tài)觀測(cè)及測(cè)量各主要部位的流速、水位及相應(yīng)水深。流量分級(jí)及時(shí)段控制與分段試驗(yàn)相同，漲水時(shí)增加440m3/s一級(jí)，落水時(shí)增加877m3/s一級(jí)。

由各級(jí)流量的流態(tài)觀測(cè)可知，當(dāng)泄洪流量較小時(shí)，除壩后挑流沖刷區(qū)受底孔開啟運(yùn)行的方式影響略有不同外，其余部位連續(xù)泄洪與分段放水總的流態(tài)完全相同，主流線基本不變，都受彎道節(jié)點(diǎn)控制，沖刷區(qū)與淤積區(qū)基本不變，高程也基本相同。

各級(jí)流量的流速分布、大小及方向在連續(xù)放水與分級(jí)放水中基本相近，各級(jí)流量主要部位的流速值一般均小于6m/s。

由于行洪過(guò)程中難以看清河床的沖淤變化，只能根據(jù)感覺測(cè)其水深及相應(yīng)水位來(lái)推算河床的沖淤變化。從實(shí)測(cè)資料分析，各級(jí)流量河床的沖淤變化規(guī)律與分階段試驗(yàn)的結(jié)果一致。

5 結(jié)論及建議

第一，根據(jù)各主要斷面的水位與流量關(guān)系以及河道沿程水面線分析，沖刷區(qū)末端的水位要高于壩腳水位。校核洪水位情況下，壩腳水位略高于挑坎頂高程外，其余各級(jí)流量下均低于挑坎高程，故挑坎高程基本合適。校核洪水位下，由于壩腳水位高于挑坎高程，故挑射水舌有些顫動(dòng)，且水舌有通氣不足現(xiàn)象，但因時(shí)間很短對(duì)大壩不會(huì)有太大危害。

第二，從各級(jí)流量條件下河床沖淤變化看，無(wú)論流量大小壩腳處均不會(huì)有嚴(yán)重沖刷，壩腳處河床高程均在850m以上。由于壩腳無(wú)大的回流，挑坎以下的壩面磨損破壞基本不存在。

第三，對(duì)小于設(shè)計(jì)洪水以下的流量，其壩后沖刷區(qū)的流態(tài)及河床沖淤變化與底孔開啟運(yùn)行方式有直接關(guān)系。因此，當(dāng)泄洪流量超過(guò)一孔泄量后，盡量考慮兩側(cè)底孔對(duì)稱開啟運(yùn)行，以保持河道水流對(duì)稱，盡量減少回流。當(dāng)出現(xiàn)低水位沖沙運(yùn)行時(shí)，要求底孔對(duì)稱開啟運(yùn)行，由于低水位運(yùn)行，盡管流量小，但水舌挑距很近，甚至成跌流狀態(tài)，其沖坑深度可達(dá)836m，且靠近壩腳，若回流不對(duì)稱會(huì)對(duì)壩腳產(chǎn)生不良影響。