平陆运河马道枢纽溢流堰下游消能效果试验研究

闫强 朱伟平 钟林斌 黄嫣

摘要：为配合马道枢纽工程设计，论证和优化枢纽布置，文章通过在马道枢纽整体定床物理模型上开展的溢流堰下游消能效果试验，分析枢纽下游消能防冲效果是否满足要求。模型试验结果表明，泄洪初期下游河道水位尚未达到稳定泄洪工况时，溢流堰下游消力池内出现一定的急流冲刷段，发生远驱式水跃，消能效果较差；高速下泄水流对左岸岸壁和下游河床的冲刷较严重，适当增加消力池深度，可有效改善下游的冲刷问题。研究成果可为相关工程设计提供技术支撑。

关键词：水工模型试验；溢流堰；消力池；消能

中图分类号：U656.31+1 A 03 007 2

0 引言

西部陆海新通道（平陆）运河始于西江干流西津库区南宁横州市平塘江口，跨沙坪河与钦江支流旧州江分水岭，经钦州市灵山县陆屋镇沿钦江干流南下进入北部湾钦州港海域，全长134.2 km。马道枢纽作为平陆运河第一梯级，由5 000吨级双线船闸、泄洪闸和连接坝组成，其下游为企石枢纽。平陆运河沟通了郁江和钦江流域，利用平陸运河相机分洪可减轻郁江中下游沿线城市应对超标洪水压力，可进一步完善郁江、西江流域超标洪水防御体系。为配合马道枢纽工程设计，论证和优化枢纽布置，在马道枢纽整体定床物理模型上开展了马道分洪工程溢流堰下游消能效果试验研究，研究枢纽下游消能防冲效果是否满足要求，为工程设计提供技术支撑。

1 工程概况

马道枢纽分洪工程包括左岸挡水坝和泄洪建筑物。如图1所示，泄洪建筑物主要为3孔净宽8 m的泄洪闸，在纵向由上游进水渠道段、中间渠道段和下游出水渠段三部分组成。其中，下游出水渠道段溢流堰堰顶高程52 m，溢流堰下游接长70 m、宽33 m、深2.0 m的下挖式消力池，其后接长45 m的混凝土护坦，在出水渠扩宽部位，以1∶10的坡度将渠底高程由25.0 m抬升至26.5 m，其后与船闸下引航道左侧靠船段斜向衔接。

根据设计文件，平陆运河分洪规模为：当郁江遭遇20年一遇洪水时，马道枢纽分洪1 000 m3/s；当郁江遭遇50年一遇的洪水时，马道枢纽分洪1 600 m3/s。如图2所示。

2 模型设计与制作

根据工程河段河势特点、试验任务要求，并考虑试验场地大小、供水能力等相关因素，马道枢纽整体定床物理模型选用几何比尺为1∶60的正态模型。模型模拟范围为：从马道枢纽坝轴线上游约2.0 km开始至坝轴线下游约2.0 km（含枢纽段约400 m）为止，模拟河段全长约4.0 km。泄洪闸、溢流堰等枢纽主要过水建筑物采用聚氯乙稀塑料板制作。模型河床采用水泥砂浆抹面，其糙率取值满足阻力相似要求。

3 试验及结果分析

3.1 试验工况

马道枢纽分洪流量分别为1 000 m3/s和1 600 m3/s，下游企石枢纽坝前正常蓄水位35.0 m。以此作为起始水位，模型坝下游控制水位由一维数学模型分别推算至尾门处，其水位分别为36.32 m、38.06 m。

3.2 模型试验结果分析

3.2.1 稳定泄流情况的水流条件分析

试验观察了当马道枢纽分洪流量分别为1 000 m3/s和1 600 m3/s时，溢流坝下游消力池及出水渠段（包括溢流坝消力池、护坦及出水渠段）的流速流态变化情况。当马道枢纽稳定下泄1 000 m3/s流量、坝下水位为36.32 m时，在溢流坝下游消力池内形成完整的淹没水跃，池内水流混动充分，出池水流表面流速2.4～3.4 m/s，底部流速2.2～4.7 m/s；护坦末端表面流速1.8～2.9 m/s，底部流速1.3～2.0 m/s；当马道枢纽稳定下泄1 600 m3/s流量、坝下水位为38.06 m时，在溢流坝下游消力池内亦形成完整的淹没水跃，池内水流混动充分，出池水流表面流速1.8～4.1 m/s，底部流速2.3～5.7 m/s；护坦末端表面流速2.2～4.3 m/s，底部流速1.4～3.4 m/s。如图3所示。

由上述试验可知，不同分洪流量稳定泄洪工况下，在溢流坝下游消力池内均产生完整的、淹没度较好的淹没水跃，消能条件总体较好。

3.2.2 泄洪初期的水流条件分析

马道枢纽至企石枢纽段运河总长约14.9 km，由于在马道枢纽泄洪初期，下游河道水位尚未达到稳定泄洪工况。以分洪量1 600 m3/s为例，试验补充观测了在马道枢纽开闸分洪时，坝下游水位分别按1 600 m3/s+37 m、1 600 m3/s+36 m和1 600 m3/s+35 m三种组合工况控制时，溢流坝下游消力池的消能情况及出水渠段的流速流态变化情况。

根据试验观测，当坝下水位分别考虑37 m、36 m和35 m（企石枢纽正常蓄水位）时，在溢流坝消力池内均出现了一定的急流冲刷段，说明发生了远驱式水跃。随着水位的降低，急流冲刷段逐渐增长，水跃收缩断面分别处于约上游1/6、1/3和2/3消力池长度位置（见图4），水跃收缩断面的位置随下游水位的下降逐渐下移，消能效果逐渐变差。

上述三级水位消力池内的最大表面流速分别约16.6 m/s、24.5 m/s、28.9 m/s，最大底部流速分别约21.2 m/s、21.5 m/s、28.9 m/s；出池最大表面流速分别约7.7 m/s、9.3 m/s、9.4 m/s，最大底部流速分别为7.2 m/s、9.9 m/s、9.2 m/s；出水渠最大表面流速分别为4.7 m/s、6.5 m/s、9.0 m/s，最大底部流速分别为3.4 m/s、4.5 m/s、6.6 m/s；左岸贴壁最大表面流速分别约3.2 m/s、4.0 m/s、9.2 m/s，最大底部流速分别约2.2 m/s、3.5 m/s、6.6 m/s。随坝下水位降低，高速下泄水流对左岸岸壁和下游河床的冲刷越严重，引起的水位波动也越大。相关研究成果表明，适当增加消力池深度，可改变水跃衔接型式和出池流速大小等［1-3］。在枢纽泄水初期，为避免溢流坝消力池发生远驱式水跃及左岸岸壁和河床的掏刷，建议适当增加消力池深度［4］。

3.3 修改方案试验结果分析

修改方案试验以1 600 m3/s+35 m（最不利）组合工况不发生远驱水跃作为控制条件，对不同消力池深度（消力池深度较原设计方案分别增加1 m、1.5 m和2 m）进行了水跃衔接型式的观测。试验观察发现，只有在消力池深度增加2 m的条件下，溢流坝下游消力池内才不会发生远驱水跃。泄洪初期，各水位条件下溢流坝下游消力池内均发生较为完整的淹没水跃，消能效果较好（见图5）。

3.3.1 泄洪初期的水流条件分析

当马道枢纽分洪流量为1 600 m3/s、尾门水位为35.0 m（泄洪初期）时，消力池深度增加2 m后，池内发生完整度较好的淹没水跃，消力池内的最大表面流速约9.4 m/s，与消力池深度增加前相比，流速降低19.5 m/s；最大底部流速约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别约5.0 m/s和4.0 m/s，分别降低4.0 m/s和2.6 m/s；左岸贴壁最大表面和底部流速分别约4.7 m/s和3.5 m/s，分别降低4.5 m/s和3.1 m/s。

3.3.2 稳定泄流情况的水流条件分析

当马道枢纽分洪流量为1 600 m3/s、尾门水位为38.06 m（稳定泄流）时，出水渠段表面和底部主流流速为3.4～4.3 m/s和2.3～3.0 m/s，与消力池深度增加前的情形相比，分别减小0.2～0.6 m/s和0.3～0.4 m/s；左岸岸坡坡脚处流速为1.5～1.7 m/s，与消力池深度增加前的情形相比，减小1.3～1.8 m/s。由此可见，增加消力池深度后，出池水流流速减小，对左侧岸坡与下游河床的冲刷影响亦减小。如图6所示。

4 结语

马道枢纽分洪泄洪初期，下游河道水位尚未达到稳定泄洪工况时，不同水位下在溢流坝消力池内均出现了一定的急流冲刷段，发生远驱式水躍，消能效果较差。由于出水渠弯曲，并与下游河道斜交，下泄水流经消力池后，主流仍偏向左侧岸边，高速下泄水流对左岸岸壁和下游河床的冲刷较严重。为避免枢纽泄水初期，溢流坝消力池发生远驱式水跃及左岸岸壁和河床的掏刷，建议适当增加消力池深度。

参考文献

［1］黄智敏，付 波，陈卓英，等.拦河闸下游二级消力池布置和消能研究［J］.广东水利水电，2014（10）：1-3，20.

［2］陈海滨.基于底流消能的跌坎型消能工水力特性试验研究［D］.昆明：昆明理工大学，2007.

［3］江飞龙.水闸消力池体型优化设计［D］.扬州：扬州大学，2022.

［4］李 艳，张绪进，彭永勤，等.西部陆海新通道（平陆）运河马道枢纽水工模型试验研究报告［R］.重庆：重庆交通大学，2023.

收稿日期：2023-09-10