第一章 枢纽工程水工整体模型研究

第一节 研究概述

峡江水利枢纽工程首部枢纽工程总体布置从左到右为船闸、门库段、泄水闸、厂房，左右坝头采用混凝土重力坝连接，坝轴线总长845m。厂坝枢纽工程平面布置示意见图1 1。设计坝顶高程 51.20m，挡水重力坝最大坝高31.20m。枢纽泄水建筑物由18孔开敞式泄水闸组成，单孔净宽16.0m，泄流前沿总宽度358m，泄水闸段平均河床高程约为30.00m，泄水闸为无坎宽顶堰，堰顶高程为30.00m，采用底流消能，消力池长60.00m，底高程26.50m。船闸上引航道高程为39.20m，下引航道高程为26.80m。

图1-1 厂坝枢纽工程平面布置示意图

* 本章内容在《江西省峡江水利枢纽工程水工整体模型试验研究报告》（2010年）的基础上节选而成。

一、研究内容

峡江水利枢纽工程整体模型试验研究，主要包括枢纽水力学及泥沙模型试验研究、枢纽通航水流条件及船模试验研究、船闸输水系统试验研究、施工导流试验研究和船闸试验研究。

（一）枢纽水力学及泥沙模型试验研究

1.闸坝水力学试验研究

（1）根据枢纽的布置，测定枢纽闸坝的泄流能力，包括各泄水建筑物及枢纽整体的泄流能力，相应的上游、下游水位-流量关系，闸门不同开度与泄流量之间的关系，验证枢纽在设计洪水和校核洪水情况下的坝前水位，观测不同流量情况下的闸室水面线，优化堰面设计。

（2）在各组合情况下，各泄洪建筑物的上、下游流态，建筑物各部位的流态，下游水面衔接，各种水力参数；特别要指出一些特殊的水力学现象（例如进口是否有旋涡、槽身是否有冲击波等）。

（3）各泄水建筑物进、出口和过流面的压力分布、脉动压力。

（4）各泄水建筑物在各种泄洪流量组合时过流部分的水面线、流态和流速。

（5）坝址处上、下游河道水流的纵向水面线和典型断面的流速分布。

（6）坝下消能防冲研究：观测闸前闸下水流条件，观测施工、运行、泄洪等各级流量情况下坝下游的水面衔接情况、流速分布与流态变化情况，下游消能效果、各种水力参数和下游河道的冲刷及淤积情况；论证消能设施布置方案的合理性和安全性，优化消能设施的平面布置与结构尺寸。

（7）研究合理的水库调度运行与闸门开启操作方式。

（8）论证枢纽总体平面布置的合理性，提出优化工程措施。

2.电站取水防沙试验研究

结合库区泥沙试验，观测不同流量情况下电站取水口附近河道及拦沙坎内的流速流态情况，分析电站进口的引水防沙条件，研究电站取水口防沙设施设计布置的合理性，提出改善电站进口引水防沙条件的工程措施。

3.电站尾水渠水沙条件试验研究

研究电站厂房尾水渠的水沙条件，包括尾水渠的流速流态和坝下游河床冲淤形态及对电站尾水出流的影响等。

4.电站部分试验

（1）通过试验，确定机组发电时尾水管出口断面处的下游水位-流量关系曲线，确定电站尾水挡墙型式和挡墙出口断面处的水位-流量关系曲线。

（2）模拟泄洪时泥沙对电站尾水渠的淤积影响和对下游河床冲刷的影响，使机组安装高程满足实际需要，以保证机组运行安全。

（3）通过试验确定合理的尾水渠反坡段底板坡度，以避免电站下游水位壅高。

（4）通过试验确定泄洪时是否需要机组进入泄水工况运行，以满足枢纽泄洪要求。

（5）通过试验确定电站机组由正常发电到突然事故停机时上游水库涌浪高度和下游水位的跌落高度，以及为保证建筑物和船舶通行安全所要采取的措施。

（二）枢纽通航水流条件及船模试验研究

（1）测定各级通航流量情况下，船闸上游、下游引航道停靠段、制动段、口门区的通航水流条件，包括纵向流速、横向流速和回流强度等，对上下游隔流墙长度提出优化方案。

（2）测定各级通航流量情况下，船闸上游、下游引航道口门区及连接段的流速分布与流态变化情况。

（3）测定各级洪水流量下，上游、下游辅导墙及隔流墙外侧底流速及面流速。

（4）研究水库运行方式对航道通航条件的影响。

（5）论证船闸上游、下游引航道平面布置的合理性，提出优化建议。

（6）研究泥沙淤积、河床冲刷对船闸上游、下游引航道口门区通航及对隔流墙结构安全的影响，测定隔流墙后的冲刷深度。

（7）观测不同通航流量情况下设计船队在船闸上游、下游引航道口门区及连接段的航行情况和航行要素包括航迹线、舵角、漂角、车挡、靠泊条件和对岸航速等。

（8）根据船模试验情况，结合通航水流条件的观测，论证船闸上下游引航道线型布置和靠船墩位置的合理性，提出改善船闸上下引航道航行条件的修改工程措施。

（9） 根据船模试验研究成果，提出设计船队进出船闸上游、下游引航道的优化航线与操作方式。

（三）船闸输水系统试验研究

（1） 根据船模试验研究成果，提出设计船队进出船闸上游、下游引航道的优化航线与操作方式。

（2）根据设计提供的船闸布置、结构型式及设计条件，建立数学模型，计算船闸输水系统各水力要素，初步判定船闸进水口型式、输水廊道、出水口型式、消能型式布置的合理性，并提出修改建议。

（3）在各种不同工况下，满足各种船舶（队）的泊稳条件，优化灌水系统的布置；研究阀门开启时间、流量系数、水力特征值等对本工程的影响。对输水系统进水口、出水口、分流口、闸室支廊道和出水支孔及消能设施等布置和型式的研究和优化。

（4）通过不同阀门开启工况的试验，选定恰当的阀门开启方式（设计采用比例泵，可无级变速开启阀门），确保闸室灌水、泄水时间满足设计要求。

（5）测定输水廊道的沿程压力分布和流速分布情况，采取恰当的工程措施，减小廊道的负压，确保廊道在使用过程中不会因发生空蚀而遭到破坏。

（6）研究各种船舶（队）在各工况下灌水、泄水时，闸室以及上下游引航道的停泊条件。

（四）施工导流试验研究

（1）各期泄水能力。一期束窄河床（枯水期、洪水期）的泄流能力，二期束窄河床（枯水期）的泄流能力、二期束窄河床（洪水期）和6孔泄水闸的联合泄流能力，三期11孔泄水闸的泄流能力，提供各期水位-流量关系曲线，验证各期围堰顶高程。

（2）水流对纵向围堰及上游、下游围堰转角冲刷、淘刷情况，为设计加固围堰提供资料。

（3）各级流量下，一期、二期束窄河床（枯水期、洪水期）进口、出口水面衔接和波动情况，横向流速及对通航的影响。

（4）验证围堰平面布置设计和抗冲防护措施，并提出改进建议。

（5）研究三期双戗堤截流的水力学条件，确定双戗堤轴线及截水龙口的位置、抛投材料、截流落差分配关系。

（6）观测施工期各级导流流量下，导流明渠的流速、流向、回流、水位、水面比降等，对施工期通航条件作出分析，验证在通航流量下坝址束窄河道是否满足通航水流条件的要求，并提出改进措施。

（7）观测施工期通航流量下的坝址航道碍航情况，为助航提供试验依据。

二、试验手段与方法

1.工程主要技术资料

（1）坝址上下游各约1700m的1∶2000地形图。

（2）工程枢纽平面布置图。

（3）泄水闸、厂房、船闸等建筑物结构图。

（4）设计各特征洪水频率泄量-上下游水位关系表，见表1-1。

（5）峡江水利枢纽工程可行性研究报告。

2.模型设计与模型制作

（1）模型设计。枢纽模型采用正态整体模型，按重力相似原则进行设计。参照国内大型工程的模型比尺参数 （葛洲坝枢纽、江西万安枢纽、青海黄河茨哈峡水电站等工程的模型比尺寸均为L_r=100，广西郁江西津水电站模型比尺寸为L_r=125），并按照 《水工 （常规）模型试验规程》（SL 155—1995）整体模型不宜大于1∶120的要求，综合考虑试验场地、供水、量水设备及精度要求，选定模型几何比尺为λ_l=110，相应流量比尺寸λ_Q=λ_l=126905.9，流速比尺λ_u==10.49，阻力重力比尺λ_n==2.19，水流运动时间比尺λ_t= λ_l¹²=10.49。

（2）模型制作。模型制作范围包括坝轴线上游1700m，下游1600m地形及挡水坝、泄水闸、厂房、船闸等建筑物。其中枢纽建筑物下游混凝土护坦后350m附近区域地形按动床制作，其他部分制成定床模型。模型断面间距为80cm，共安装34个断面板，模型制作地形高程为55.0m。模型总长（包括进水前池及沉沙池）为35m，宽度9～10m。上下游河道地形及挡水坝部分均依照原型按比例缩小后，安装断面板并用水泥砂浆抹制。泄水闸溢流堰面用水泥浆刮模制作，闸墩、弧形闸门用有机玻璃制作，闸墩与溢流堰面用螺丝紧固，并用玻璃胶密封止水。水工建筑物的编号：从左至右，泄洪闸依次为1～18号孔，电站机组依次为1～9号机。

3.模型验证

（1）模型比尺合理性验证。校验各典型放水流量下模型水深和水流雷诺数，见表1-2。

表1-2中，所计算的模型雷诺数Re的具体数值可知，除一台机组发电流量工况外，其余各种放水工况的水流流态都属于紊流，尤其是作为主要放水工况的各典型泄洪流量情况下，足以保证模型水流处于紊流的阻力平方区。另外从模型水深来看，所有工况的h_m均满足消除水的表面张力影响的最小水深经验值h_m≥1.5cm要求，说明模型符合重力相似准则。

（2）量水堰施放的流量与模型的实测的过水流量比较。首先，将由量水堰施放的流量按流量比尺换算为原型流量；其次，将模型断面实测的水深、流速分别按相应的比尺换算为原型水深、流速，进而计算得到原型流量。先后进行了3组流量验证比较，结果见表1-3。由表1-3可见，水流重力相似条件基本是良好的。

（3）模型的阻力相似情况。由于缺少模型试验段的实测洪水水面线资料，仅从设计部门可研报告中查阅到赣江中游段天然河道水面比降在0.00015～0.00028间，给模型的阻力相似精确验证带来困难。加之受试验时间限制，地形制作与建筑物安装同时进行，没有事先单独进行河道阻力相似验证，后来在试验进行期间补做了一些模型河道糙率验证工作。参考有关资料认为，所研究的河段在枢纽下游模型有相当的长度，枢纽的建造对其附近河床地形也无很大破坏，即便在模型已有枢纽建筑物的情况下，在枢纽下游适当远的一段模型河床范围内也能近似进行阻力相似的验证工作。为此，选取模型下游6～13号断面（即坝轴线下游570～1103m）进行一组阻力相似验证。

试验工况为Q_总=12700m³/s，其中Q_厂=4700 m³/s，Q_闸=8000 m³/s，建筑物段单宽流量基本相近。实测6～13号断面间水面比降为

以9号断面的水位41.24m计算得：相应的过水断面面积ω=7083m²，湿周χ=688m，水力半径R=10.3m。在该断面上布置7条垂线，每条垂线上测4个点流速，最后算得该断面平均流速值v_平=1.86m/s。

根据公式：

计算得该段河床的原型糙率 n=0.0365。

从水面坡降来看，处于该河段的坡降范围之内，从糙率值来看，与峡江枢纽上游的万安枢纽模型试验5组流量率定的n=0.0315～0.0389相近。由此可以认为，模型阻力相似，基本能满足要求。

4.试验设备

（1）模型试验采用恒定流的试验方法，因试验流量很大，采用一个矩形薄壁量水堰和一个三角薄壁量水堰联合进行模型供水，模型最大供水流量为254.5L/s。堰上水头用测针测量，精度为0.1mm。

（2）上下游水位采用测针进行控制，精度为0.1mm。

（3）尾水位采用翻板闸门控制。

（4）流速采用直读式旋桨流速仪测量。

（5）沿程水位采用水准仪和测针测量，水深采用活动测针结合钢尺测量。

（6）动床部分河床冲坑采用水准仪和自动地形测量仪量测冲刷范围和冲深，并用数字摄像机记录冲刷地形等情况。

（7）流态通过人工观察描述、抛撒木屑勾绘流线或摄像、照片记录。