黄河万家寨水工模型试验成果

根据初步设计方案，天津水利水电勘测设计研究院科研所在1992年做了万家寨水利枢纽水工整体模型，通过模型试验，全面验证设计条件下，枢纽消能工的消能效果（包括对左岸边的淘刷情况，左岸混凝土护坡的基础稳定性，河床冲刷情况及对电站尾水位的影响等等），并提出有关改进措施。同时测定5 号坝段底孔作为引黄取水口排沙孔时下游消能及冲刷情况，并提出两个底孔单独运行的允许最小排放流量。

模型比尺为1∶100，模型范围坝址以下0+700m 按1∶500 地形图缩制，其他按1∶2000 地形图缩制。

1.水力特性

溢流坝水利特性试验分别按库水位952.00m、975.00m、979.00m 三种情况进行，结果见表7-38。

表7-38　溢流坝水流特征

试验结果表明，中、底孔溢流面反弧段流速超过30.0m/s，最好在直线段加设掺气槽，防止气蚀破坏；中孔在952.00m 水位形不成完全挑流，宜在952.50m 水位以上启用；中孔和5 号底孔的挑坎坎高应增加1.0m，避免水舌与坎下水位产生贴合现象。中、底孔在库水位高、泄量大时，挑流水舌入水后形成冲坑，出坑水流向下、向右扇形扩散并携带冲坑石渣在坑后和坑的右侧堆积，侵占了河床宽度，使发电水流受阻。入坑水舌的两侧呈回流。右侧回流使电厂尾水区处在回流区中，在不发电的情况下，左侧回流淘刷左岸防护墙墙基，最大回流流速大6.0～7.0m/s，回流水面倒坡达3.5%～6.0%以上，应引起高度重视并寻求改善措施。

2.5 号坝段底孔小流量时的消能冲刷与运用

5 号坝段2 底孔小流量试验消能冲刷特征值见表7-39。

表7-39　5 号坝段2 底孔消能冲刷特征值

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表7-39 结果表明，挑坎上有充分的挑流，水舌的流量，即起挑流量为190.0～200.0 m3/s，挑坎单宽流量15.0m3/s。大于这一流量，坎后有10.0～15.0m 的不冲距离，冲坑最深点在坎后27.0m 处，冲坑深2.3m；小于这一流量，坎区出现部分水跃，挑流水舌不完全，坎后右侧有近距离冲刷。故5 号坝段底孔起挑单宽流量15.0m3/s，设计方案允许最小泄流量为200.0m3/s。泄量大于允许值，下游冲刷对建筑物均无害。

3.下游消能防冲

试验分3 种运行方式：

（1）电站不发电，洪水均由中、底孔泄泻。

（2）溢流坝行洪并同时发电，部分闸门开启控制水位。

（3）中、底孔敞泄并同时发电。

试验选择3 种下泄流量，即设计洪水标准下泄流量、百年一遇下泄流量和汛期常遇洪量。前两种为控制流量，后一种以控制库水位为准。

试验结果表明，溢流坝行洪、电站不发电时，电站尾水渠有弱回流区产生，右侧冲坑石碴向尾水区扩散较严重，使尾水区出流通道缩窄，较多地抬高了正常发电尾水位。在下泄设计洪水7900.0m3/s 时，0+175m断面尾水渠最大回流流速1.6m/s，堆碴影响使尾水区出流宽度只有60.0m，洪水过后正常发电尾水位抬高2.6m。同溢流坝行洪同时发电相比，堆碴影响尾水区出流宽度增加了25.0m，正常发电尾水位少抬高0.6m，效果明显。

溢流坝与电站同时过流，闸门部分开启控制库水位运行方式中，考虑到减少岸坡淘刷，选择了关闭5号坝段底孔运行方式。试验显示，水流出坑后河道主流由左逐渐向下游分成两股，尾水渠内无回流产生，岸坡回流流速5.0～6.7m/s，护坡墙基冲刷高程分别是904.00m 和892.00m，相当于比闸门全开时抬高10.0m。

由于边坡边界固定，岸坡回流平面扩散受到限制，挟带一定能量的回流必将向深处发展。各种洪水过后，护坡基础冲刷高程均低于895.00m 墙基高程，需采取有效工程措施。总之，各种洪水过后，坎后不冲距离均满足坝体抗滑稳定要求。行洪时不发电，对下游消能及尾水区最不利，可考虑泄洪时（特别是大流量）同时发电。尾水位抬高主要是冲刷堆碴侵占河床所致，如果能提前预挖冲坑或洪水过后清除尾水区前堆碴，正常发电尾水位将降低0.5～1.0m。