平陸運河馬道樞紐溢流堰下游消能效果試驗研究

閆強 朱偉平 鐘林斌 黃嫣

摘要：為配合馬道樞紐工程設計，論證和優化樞紐布置，文章通過在馬道樞紐整體定床物理模型上開展的溢流堰下游消能效果試驗，分析樞紐下游消能防沖效果是否滿足要求。模型試驗結果表明，泄洪初期下游河道水位尚未達到穩定泄洪工況時，溢流堰下游消力池內出現一定的急流沖刷段，發生遠驅式水躍，消能效果較差；高速下泄水流對左岸岸壁和下游河床的沖刷較嚴重，適當增加消力池深度，可有效改善下游的沖刷問題。研究成果可為相關工程設計提供技術支撐。

關鍵詞：水工模型試驗；溢流堰；消力池；消能

中圖分類號：U656.31+1 A 03 007 2

0 引言

西部陸海新通道（平陸）運河始于西江干流西津庫區南寧橫州市平塘江口，跨沙坪河與欽江支流舊州江分水嶺，經欽州市靈山縣陸屋鎮沿欽江干流南下進入北部灣欽州港海域，全長134.2 km。馬道樞紐作為平陸運河第一梯級，由5 000噸級雙線船閘、泄洪閘和連接壩組成，其下游為企石樞紐。平陸運河溝通了郁江和欽江流域，利用平陸運河相機分洪可減輕郁江中下游沿線城市應對超標洪水壓力，可進一步完善郁江、西江流域超標洪水防御體系。為配合馬道樞紐工程設計，論證和優化樞紐布置，在馬道樞紐整體定床物理模型上開展了馬道分洪工程溢流堰下游消能效果試驗研究，研究樞紐下游消能防沖效果是否滿足要求，為工程設計提供技術支撐。

1 工程概況

馬道樞紐分洪工程包括左岸擋水壩和泄洪建筑物。如圖1所示，泄洪建筑物主要為3孔凈寬8 m的泄洪閘，在縱向由上游進水渠道段、中間渠道段和下游出水渠段三部分組成。其中，下游出水渠道段溢流堰堰頂高程52 m，溢流堰下游接長70 m、寬33 m、深2.0 m的下挖式消力池，其后接長45 m的混凝土護坦，在出水渠擴寬部位，以1∶10的坡度將渠底高程由25.0 m抬升至26.5 m，其后與船閘下引航道左側靠船段斜向銜接。

根據設計文件，平陸運河分洪規模為：當郁江遭遇20年一遇洪水時，馬道樞紐分洪1 000 m3/s；當郁江遭遇50年一遇的洪水時，馬道樞紐分洪1 600 m3/s。如圖2所示。

2 模型設計與制作

根據工程河段河勢特點、試驗任務要求，并考慮試驗場地大小、供水能力等相關因素，馬道樞紐整體定床物理模型選用幾何比尺為1∶60的正態模型。模型模擬范圍為：從馬道樞紐壩軸線上游約2.0 km開始至壩軸線下游約2.0 km（含樞紐段約400 m）為止，模擬河段全長約4.0 km。泄洪閘、溢流堰等樞紐主要過水建筑物采用聚氯乙稀塑料板制作。模型河床采用水泥砂漿抹面，其糙率取值滿足阻力相似要求。

3 試驗及結果分析

3.1 試驗工況

馬道樞紐分洪流量分別為1 000 m3/s和1 600 m3/s，下游企石樞紐壩前正常蓄水位35.0 m。以此作為起始水位，模型壩下游控制水位由一維數學模型分別推算至尾門處，其水位分別為36.32 m、38.06 m。

3.2 模型試驗結果分析

3.2.1 穩定泄流情況的水流條件分析

試驗觀察了當馬道樞紐分洪流量分別為1 000 m3/s和1 600 m3/s時，溢流壩下游消力池及出水渠段（包括溢流壩消力池、護坦及出水渠段）的流速流態變化情況。當馬道樞紐穩定下泄1 000 m3/s流量、壩下水位為36.32 m時，在溢流壩下游消力池內形成完整的淹沒水躍，池內水流混動充分，出池水流表面流速2.4～3.4 m/s，底部流速2.2～4.7 m/s；護坦末端表面流速1.8～2.9 m/s，底部流速1.3～2.0 m/s；當馬道樞紐穩定下泄1 600 m3/s流量、壩下水位為38.06 m時，在溢流壩下游消力池內亦形成完整的淹沒水躍，池內水流混動充分，出池水流表面流速1.8～4.1 m/s，底部流速2.3～5.7 m/s；護坦末端表面流速2.2～4.3 m/s，底部流速1.4～3.4 m/s。如圖3所示。

由上述試驗可知，不同分洪流量穩定泄洪工況下，在溢流壩下游消力池內均產生完整的、淹沒度較好的淹沒水躍，消能條件總體較好。

3.2.2 泄洪初期的水流條件分析

馬道樞紐至企石樞紐段運河總長約14.9 km，由于在馬道樞紐泄洪初期，下游河道水位尚未達到穩定泄洪工況。以分洪量1 600 m3/s為例，試驗補充觀測了在馬道樞紐開閘分洪時，壩下游水位分別按1 600 m3/s+37 m、1 600 m3/s+36 m和1 600 m3/s+35 m三種組合工況控制時，溢流壩下游消力池的消能情況及出水渠段的流速流態變化情況。

根據試驗觀測，當壩下水位分別考慮37 m、36 m和35 m（企石樞紐正常蓄水位）時，在溢流壩消力池內均出現了一定的急流沖刷段，說明發生了遠驅式水躍。隨著水位的降低，急流沖刷段逐漸增長，水躍收縮斷面分別處于約上游1/6、1/3和2/3消力池長度位置（見圖4），水躍收縮斷面的位置隨下游水位的下降逐漸下移，消能效果逐漸變差。

上述三級水位消力池內的最大表面流速分別約16.6 m/s、24.5 m/s、28.9 m/s，最大底部流速分別約21.2 m/s、21.5 m/s、28.9 m/s；出池最大表面流速分別約7.7 m/s、9.3 m/s、9.4 m/s，最大底部流速分別為7.2 m/s、9.9 m/s、9.2 m/s；出水渠最大表面流速分別為4.7 m/s、6.5 m/s、9.0 m/s，最大底部流速分別為3.4 m/s、4.5 m/s、6.6 m/s；左岸貼壁最大表面流速分別約3.2 m/s、4.0 m/s、9.2 m/s，最大底部流速分別約2.2 m/s、3.5 m/s、6.6 m/s。隨壩下水位降低，高速下泄水流對左岸岸壁和下游河床的沖刷越嚴重，引起的水位波動也越大。相關研究成果表明，適當增加消力池深度，可改變水躍銜接型式和出池流速大小等［1-3］。在樞紐泄水初期，為避免溢流壩消力池發生遠驅式水躍及左岸岸壁和河床的掏刷，建議適當增加消力池深度［4］。

3.3 修改方案試驗結果分析

修改方案試驗以1 600 m3/s+35 m（最不利）組合工況不發生遠驅水躍作為控制條件，對不同消力池深度（消力池深度較原設計方案分別增加1 m、1.5 m和2 m）進行了水躍銜接型式的觀測。試驗觀察發現，只有在消力池深度增加2 m的條件下，溢流壩下游消力池內才不會發生遠驅水躍。泄洪初期，各水位條件下溢流壩下游消力池內均發生較為完整的淹沒水躍，消能效果較好（見圖5）。

3.3.1 泄洪初期的水流條件分析

當馬道樞紐分洪流量為1 600 m3/s、尾門水位為35.0 m（泄洪初期）時，消力池深度增加2 m后，池內發生完整度較好的淹沒水躍，消力池內的最大表面流速約9.4 m/s，與消力池深度增加前相比，流速降低19.5 m/s；最大底部流速約21.6 m/s，流速降低7.3 m/s；出水渠最大表面和底部流速分別約5.0 m/s和4.0 m/s，分別降低4.0 m/s和2.6 m/s；左岸貼壁最大表面和底部流速分別約4.7 m/s和3.5 m/s，分別降低4.5 m/s和3.1 m/s。

3.3.2 穩定泄流情況的水流條件分析

當馬道樞紐分洪流量為1 600 m3/s、尾門水位為38.06 m（穩定泄流）時，出水渠段表面和底部主流流速為3.4～4.3 m/s和2.3～3.0 m/s，與消力池深度增加前的情形相比，分別減小0.2～0.6 m/s和0.3～0.4 m/s；左岸岸坡坡腳處流速為1.5～1.7 m/s，與消力池深度增加前的情形相比，減小1.3～1.8 m/s。由此可見，增加消力池深度后，出池水流流速減小，對左側岸坡與下游河床的沖刷影響亦減小。如圖6所示。

4 結語

馬道樞紐分洪泄洪初期，下游河道水位尚未達到穩定泄洪工況時，不同水位下在溢流壩消力池內均出現了一定的急流沖刷段，發生遠驅式水躍，消能效果較差。由于出水渠彎曲，并與下游河道斜交，下泄水流經消力池后，主流仍偏向左側岸邊，高速下泄水流對左岸岸壁和下游河床的沖刷較嚴重。為避免樞紐泄水初期，溢流壩消力池發生遠驅式水躍及左岸岸壁和河床的掏刷，建議適當增加消力池深度。

參考文獻

［1］黃智敏，付 波，陳卓英，等.攔河閘下游二級消力池布置和消能研究［J］.廣東水利水電，2014（10）：1-3，20.

［2］陳海濱.基于底流消能的跌坎型消能工水力特性試驗研究［D］.昆明：昆明理工大學，2007.

［3］江飛龍.水閘消力池體型優化設計［D］.揚州：揚州大學，2022.

［4］李 艷，張緒進，彭永勤，等.西部陸海新通道（平陸）運河馬道樞紐水工模型試驗研究報告［R］.重慶：重慶交通大學，2023.

收稿日期：2023-09-10