第三节 上坝址下坝线模型试验研究
下坝线模型试验在上坝线模型试验之后进行，因两坝线相距较近，水力条件相常相近，枢纽建筑物布置参考采用上坝线的部分试验成果。
一、闸坝水力学试验研究
1.泄流能力试验
模型试验坝前水位测量控制点位于坝轴线上游190m断面处，下游水位测量控制点位于坝轴线下游588m断面处。试验首先率定了18孔泄水闸全开状况下的泄流能力，结果见表1-13。由表1-13可见，校核泄量32300m3/s下，坝前水位为48.57m，比设计值49.00m低0.43m，流量系数为0.316；设计泄量29100m3/s时，坝前水位为47.56m，比设计值48.07m低0.51m，流量系数为0.310。18孔泄水闸全开泄流能力满足设计要求。下坝线泄流能力比上坝线略大，其中校核泄量下比上坝线低0.11m，设计泄量下比上坝线低0.09 m。考虑到下坝线采用的下游控制水位比上坝线稍低（校核泄量低0.1m），除此影响，两址坝泄水闸的泄流能力基本相同。12孔（7～18号孔）、6孔（1～6号孔）全开及同步局部开启、18孔局部开启泄流能力引用上坝线成果。
表1-13 下坝线18孔泄水闸全开水位流量关系
2.溢流面压力分布
因下坝线与上坝线相距较近，水力条件也基本相同，下坝线未进行溢面压力观测，其结果可参见上坝线试验成果，见表1-14。
表1-14 试验放水试验成果
3.水面线观测
试验进行了9种工况下的上下游河道、泄水闸闸室、消力池内水面线观测，试验的工况见表1-14。几种典型工况的水面线高程见表1-15。从试验可见，校核工况下弧形门支铰低于水面线1.07m，影响闸门正常运行。在其他泄量下弧形门支铰均位于水面线之上。在各级泄量下，船闸闸室闸墙的高程均位于水面线之上；发电允许最大泄量（12700m3/s）12孔开启时，厂-闸间导墙末端水位为41.28m；5年一遇泄量（14800m3/s）下，消力池边墙末端水位为42.42m，消能泄量（22000m3/s），消力池边墙末端水位为44.72m。
表1-15 部分典型工况下水面线
4.水流流态、流速的试验观测
试验进行了9种工况下的水流流速、流态观测成果见表1-14。
在厂房机组发电各工况下，厂房上游进水都较平顺，泄水闸也无不良流态现象。在大泄量时，厂房机组停发，由于上游河道主流位于右岸，在16～18号泄水闸前存在着自厂房侧而来的横流流态，其他泄水闸流态尚为平顺。
开12孔及18孔各泄流工况下，水流过闸为高淹没度水跃流态，跃首的位置出现在紧接弧形门后，跃尾位于消力池内。6孔泄流工况时，水流过闸产生低淹没度水跃，跃首位于闸室内，跃尾位于消力池。在泄水各工况下，水流出消力池后与下游水面衔接平顺，水跃跃尾均未越出消力池，且呈淹没水跃，说明消力池长度和深度满足水跃要求。在大泄量电站停发工况下，电站尾水下游存在较大范围回流，但回流强度不大。
从流速分布图可见，校核泄量下消力池出口断面最大底流速为5.84m/s，下游河道最大底流速为5.83m/s。设计泄量下消力池出口断面最大底流速为6.82m/s，下游河道最大底流速为5.14m/s。消能设计泄量下消力池出口断面最大底流速为5.60m/s，下游河道最大底流速为4.45m/s。各工况下游最大流速分布见表1-16。可见，消能工况泄量下，大于河道允许抗冲流速，将对下游河床造成冲刷。
表1-16 下坝线各工况下游最大底流速及分布 单位：m/s
注 局开即为局部开启。
5.下坝线与上坝线水力特性的比较
下坝线与上坝线的距离约154m（坝轴线上厂—闸边墙处量测），两坝线交角5.6°，建筑物的尺寸及相对位置基本无改变。从泄流能力分析，两坝线基本相近。对下坝线进行了9组工况试验，并与上坝线相应工况进行比较。为了对枢纽河床流速分布有定量的认识，统计了8种工况坝轴线以下几个断面的流速特征值，其中包括全断面实测流速平均值vcp1，全断面实测底流速平均值vcp2，底部流速系数β（vcp2与vcp1的比值），最大底流速vdm。从下、上坝线的坝下流速分布的断面特征值看，两坝线下游流速特征值无明显的差异。
6.闸门运行调度方式
枢纽汛期洪水调度运行方式为：当坝址流量大于 5000m3/s且不大于9000m3/s时，将水位降至 45.20m 运行；当坝址流量大于 9000m3/s且不大于12000m3/s 时，将水位降至 44.40m 运行；当坝址流量大于 12000m3/s且不大于14500m3/s时，将水位降至 43.80m 运行；当坝址流量大于 14500m3/s且不大于20000m3/s时，泄洪闸全部开启敞泄洪水；当坝址流量大于20000m3/s且库水位低于防洪高水位49.00m或达防洪高水位49.00m但坝址流量不大于26600m3/s时，水库下闸拦蓄洪水，控制下泄流量为下游防洪；当库水位达到防洪高水位49.00m、坝址流量不大于26600m3/s，且洪水继续上涨时，开启全部泄洪闸敞泄洪水，以保闸坝安全，但应控制其下泄流量小于本次洪水的洪峰流量。
在多孔闸坝泄流过程中，闸门开启的合理运行非常重要。在实际工程中，往往由于闸门运行不当，造成闸坝下游很大冲刷，严重的甚至使工程失事。所以，即便是再好的消能布置，如果离开了正确的运行管理，也会失去实用意义。峡江模型试验和其他的试验研究都表明，多孔闸门在运行中，以全部闸门同步开启最优，局部对称间隔开启次之，不规则间隔开启最差，这一结论，无论是对底流消能还是面流消能都是适用的。
峡江枢纽共有18个泄水闸孔，消力池内在6号与7号闸孔间设置了一道中隔墙，将消力池分为一隔两区，对闸门灵活调度分区运用，改善泄水闸下游流态是极有好处的。泄洪时闸门开启可采用同步开6孔（1～6号）、12孔（7～18号）、18孔（1～18号）3种运行方式。
通过定床消能工况试验及动床试验，为保证泄洪时下游有较好的流态，避免河床严重冲刷，一些特征泄量下推荐合理的闸门开启方式见表1-17。
表1-17 各特征泄量下合理的闸门运用方式
二、电站水力学试验
电站运行包括单独运行和与泄水闸泄洪同时运行两种情况，两种情况电站下游的流态有所不同。由于电站紧邻泄水建筑物，电站尾水受泄水闸泄洪影响。电站单独运行时，尾水渠出厂-闸导墙时就以很大角度扩散，由于泄水闸未泄流，因而在泄水闸段下游形成一范围大的回流区，但回流的强度不大，尾水扩散时与泄水闸下游水面没有明显的水位差。当电站汛期与泄水闸泄洪同时运行时，两者单宽流量相差不大，流速梯度较小，水流衔接平顺。电站上游进口水流平稳，无不良流态现象。
下坝线尾水渠布置采用了上坝线试验成果，尾水反坡为1：6，至高程28.50m再用1：50的缓坡与河床地形相接。试验分别进行了泄水闸不泄水仅电站4台、9台机组发电及电站满发，泄水闸下泄8000m3/s、5000m3/s、3000m3/s共5种工况下的尾水观测。试验结果见表1-18。试验结果可见，下坝线电站尾水在机组各种工况下未见明显壅高。
表1-18 修改设计方案机组运行下游尾水位观测值 单位：m
三、下坝线动床模型试验研究
1.库区动床模型试验研究
（1）试验条件。峡江水利枢纽下坝线方案坝区动床试验，坝前水位按汛限水位45.00m控制，坝区初始地形为原河床，即坝区泥沙淤积形态，淤积分布由挟沙水流自行塑造。模型进口加沙位置、加沙数量、加沙粒度及加沙强度与上坝线方案相同。试验共进行四组，各组工况见表1-19。
表1-19 下坝线方案坝区动床试验工况
（2）坝区泥沙冲淤特性。上坝线方案曾系统研究了水库运用中、后期水库淤积接近平衡状态下库区泥沙冲淤特性。下坝线方案拟对水库运用初期阶段即建库后的第一个水文年起，库区泥沙冲淤特性及电站取水防沙等相关问题进行试验研究。
建库后的第一和第二个水文年均施放9700 m3/s流量级，该流量级相当于峡江河段的造床流量。该流量级先后进行了两种工况的试验研究，以研究相同流量不同泄流条件下，坝区泥沙冲淤特性及其对电站取水防沙的影响。
第一个水文年汛期，按峡江河段多年平均输沙量控制入库总沙量，试验表明，模型试验运行约3h后，部分推移质泥沙，已运行到坝前，坝轴线上游850m断面以上库床已基本被沙波所覆盖，沙波运动速度和形式与上坝线方案试验很接近。在中间12孔泄水闸开启泄洪的条件下，坝区河床主输沙带沿天然河床的深泓线向坝前延伸，主输沙带的左右边界分别在11号泄水闸和4号机组。特别是14～18号泄水闸的输沙强度相对较大，运行到坝前的泥沙大都是通过该坝段排往下游。1～4号机组前因有拦沙坎拦阻，在水库运用初期，较粗颗粒推移泥沙会沿拦沙坎上游侧河床向泄水闸方向输移，但因受局部河床地形条件的限制，其运行速度缓慢，并使拦沙坎中下段泥沙堆积会慢慢增多。至第一个水文年汛末，拦沙坎上游侧淤沙高程接近32.00m，部分细颗粒泥沙已可以翻越拦沙坎进入取水口，但尚不影响电站的安全运行。
上述试验成果是在本模型有限的模拟长度范围内所获得。本模型加沙位置在坝轴线上游1400m断面处，实际上尚处在峡江枢纽的坝前段，而峡江库区回水长度达60余千米。按此估算，在正常情况下，水库运用初期进入回水末端的推移质泥沙，可能要经过若干年之后才可能运行到坝前。也就是说，在水库运用后的前10年，除遭遇特殊水文年，坝前推移质仍可能会处于零淤积状态。这是本方案空库运行试验所得出的重要认识。
第二个水文年动床试验在前期淤积的基础上进行。在仅开启左侧1～6号闸孔泄洪的条件下，泄水闸单宽流量明显增大，护坦下游流速高达4～5m/s以上，直至坝轴线下游450m断面附近才逐渐趋于平缓。出库泥沙在此断面以下开始向右扩散，在右侧滩地上伴有少量淤积，但厚度不大。至第二个水文年汛末，泥沙在下游河道的回流缓流区内普遍落淤，但没有抬高电站尾水位。
与上一个水文年相比，坝区泥沙冲淤形态发生了较大变化，由于承担主要输沙任务的中12孔泄水闸完全关闭，泥沙在泄水闸前不断淤积抬高，淤积面高程在29.0m左右，左侧6孔泄水闸前因行进流速很大，泥沙不会在闸前淤积，形成明显的冲刷漏斗，淤积界面十分清晰。
由于连接枢纽上下游的输沙主槽被关闭的中间泄水闸所阻断，左6孔泄水闸排沙效率又不高，使拦沙坎中下段泥沙淤积数量进一步增加，局部淤积高程已与拦沙坎齐平，电厂取水防沙形势比较严峻。出现这一现象的根本原因，仍然与峡江河段的河势特点有关。在自然条件下，峡江河段的深泓河槽是自厂房区跨越枢纽后向左侧河道过渡的，在右12孔泄水闸完全关闭的情况下，原输沙主槽被部分截断，新的输沙主槽又很难通过左6孔泄水闸与下游衔接，从而增大了拦沙坎的压力。因此可见，下坝线方案在水库运用初期阶段，开启7～18号泄水闸比开启1～6号泄水闸对排沙有利。后期进行的坝下游河床动床试验亦表明，单独开启左6孔泄水闸对下游河道的冲刷也甚为不利。
第三个水文年汛期流量加大至12700 m3/s，电厂满发，7～18号泄水闸泄洪。在此条件下，左6孔泄水闸上下游均出现大尺度回流。随着坝区泥沙淤积量的增多，出库含沙量变大，出库泥沙一部分在左6孔泄水闸下游落淤，另一部分则向下游河道右侧扩散，并在坝轴线下游450m断面以下的缓流区内落淤，淤积带宽度约占下游全河段的2/5左右，淤积厚度较小，对下游水位没有产生影响。
库区河段因流场发生变化，泥沙淤积形态进一步作出调整。左6孔泄水闸段回流区内，因河床高程较高，不发生泥沙淤积。以右12孔泄水闸中的8～12号为轴心的输沙带，主槽又重新形成，入库泥沙沿输沙主槽向下推移。与此相应，拦沙坎中下段因正处在输沙主槽范围之内，泥沙淤积数量增多，大部分已与拦沙坎顶面高程齐平。但由于泄水闸坝段单宽流量大，在电厂取水口前与泄水闸之间存在明显的横向水流运动，淤积在拦沙坎两侧的泥沙极易被横向水流悬起进入泄水闸排往下游。也就是说，在电厂与泄水闸之间存在横向输沙的水流条件。这一现象在第四个水文年试验中显得尤为突出。横向输沙的水流条件为解决拦沙坎泥沙淤积提供了契机。
第四个水文年入库流量为14800m3/s，相应于5年一遇的洪水流量。此流量已超过电厂最大发电流量，电厂停止运行，由18孔泄水闸开启泄洪。试验研究表明，这一工况可能是枢纽泄洪排沙有效减少拦沙坎泥沙淤积的最佳时机。第四个水文年汛末，库区泥沙淤积非但没有继续增加，反而冲走了部分前期淤积物。泄水闸坝段上游200～300m范围内的淤积被冲刷殆尽，冲刷漏斗明显。坝轴线250m断面以上前期形成的沙波、沙垄已被水流荡平，推移质运动速度加快。经过大约3.5h冲淤试验，在坝区河道右侧已显现输沙主槽的雏形，输沙主槽平均宽度约40～60m，这与上坝线方案试验结果是一致的。输沙主槽一经形成，对排泄上游来沙和恢复部分槽库容都非常有利。当输沙主槽行至拦沙坎附近时，虽受到拦沙坎的阻隔，但仍有跨越电厂之趋势。但此时电厂已关闭，厂房前水位抬高，由此产生指向泄水闸的横向水流。这一特殊的水流条件，在拦沙坎与电站进水口之间的淤积物上迅速冲出一条横向沟槽，并跨越导墙后经右12孔泄水闸中的14～18号孔与下游衔接，在坝区形成一条明显的s形输沙通道。如果能在拦沙坎与导墙的结合部修建一座排沙闸，当入库流量超过最大发电流量时，开启排沙，将会收到更好的排沙效果。
上引航道口门区进口底高程为39.2m，又远离推移质主输沙带，泥沙不会进入引航道口门区，各种工况下上引航道口门区航道条件都较好。
2.下坝线方案枢纽下游河段动床模型试验研究
峡江水利枢纽工程的天然河道下游主河槽位于河道左侧，靠近下游引航道。枢纽兴建之后，由于出库水沙条件的变化，下游河道必然会发生一定的冲淤变形。为了研究下坝线方案枢纽下游河道的冲淤特性及其对下引航道口门区可能产生的影响，特进行下游主河槽动床模型试验研究。
（1）动床模型范围。本模型动床模拟范围自1～8号泄水闸消力池末端起，下至坝轴线下游990m断面止，模拟河段总长约880m，平均模拟宽度约160m。动床模拟深度分两段控制：坝轴线下游110～460m河段模拟深度约10m，作为局部冲刷观测段；坝轴线下游460～990m断面模拟深度约5m，作为沿程冲刷观测段。所用动床模型沙与上坝线方案坝下游局部冲刷试验用沙相同。
（2）试验条件。坝下游动床模型试验研究，坝前水位按正常蓄水位46.0m控制，初始条件为水库运用初期，下泄水流为清水。初始地形为下游河床原始地形。试验条件列于表1-20。
表1-20 下坝线方案下游河段动床模型试验条件表
3.试验成果分析
第一组试验因1～6号泄水闸关闭，其护坦下游的动床地形基本不发生冲淤变形。冲刷主要发生在7～8号泄水闸护坦下游至坝轴线下游460m断面范围内，历时2.4h后，已形成一条狭长形冲刷坑，纵向冲坑长度约300m，冲坑纵向坡度约6%，冲坑最大深度达10m。导墙左侧河床因受水流扩散作用的影响，也发生了局部冲刷，但冲刷深度不大。所冲起的泥沙沿着动床地形右侧向下游输移，排往下游河道。动床区河道泥沙运动轨迹表明，泥沙输移方向与下游引航道口门区轴线方向基本一致，引航道口门区未发现来自动床区的泥沙堆积。
在此基础上进行同流量下开启左6孔泄水闸的方案试验。这一工况对下游河道冲刷最为不利，流量虽不大，但上下游水头差高达6.26m，单宽流量和纵向流速都很大。试验表明，左6孔泄水闸护坦下游河床冲刷发展迅速。冲刷30min左右，冲坑已发展到坝轴线下游290m断面附近。特别是在3～5号孔泄水闸下游冲刷最为剧烈，局部河床已冲至基岩面，这与其流速分布是相应的，60min后冲刷坑头部已逼近轴线下游460m断面。到第135min时冲坑已贯穿了整个动床的始末。冲坑底部的最大流速达4m/s，仍有较强的冲刷动能。沿程冲刷长度可能会延伸至本实验河段以下若干千米处，从某种意义上来讲，沿程冲刷对下游河道的航运和防洪都是有利的。
该工况因7～18号泄水闸关闭，动床区被冲起的泥沙迅速向河道右侧扩散输移，其扩散角度约为30°。至轴线下游900m断面附近，泥沙扩散范围已达到下游全部河宽的4/5左右。泥沙沿扩散带向下游输移，部分泥沙滞留在动床区右侧滩地上，堆积厚度不大，约0.1～0.2m，不致影响下游水位下坝线方案下引航道的弯曲段，修改后的弧形导航墙已延伸至轴线下游900m断面处，具有相应好的导流排沙功能，这与上坝线方案试验中提出的构想是完全一致的。在弯道环流作用下，自动床区冲起的泥沙向右前方输移，主输沙带方向与下引航道轴线方向大致平行。在下游河道冲刷变形的全过程中，下引航道口门区都没有泥沙堆积。
重新恢复动床初始地形，进行第三组冲淤试验。入库流量14800m3/s，相当于5年一遇洪水流量，根据调度运用方案，该流量级电厂关闭，开启18孔泄水闸泄洪。泄水闸下游单宽流量明显增大，但上、下游水头差仅3.85m。试验结果表明，该组试验冲刷范围和强度弱于上一工况。冲刷12h后，冲坑头部发展到坝轴线下游370m断面附近，冲刷最快部位在3～7号泄水闸下游，冲起的泥沙除沿动床区向下游输移之外，还不断向右侧河床扩散，扩散带宽度达200m左右。1～2号泄水闸下游因流速较小，泥沙未被扰动。但坝轴线下游370～640m断面之间的导航墙基础附近却发生了局部冲刷，冲刷深度1～3m。初步分析认为，局部冲刷的原因是过水断面略有收缩所致。冲刷约2h后，下游河床基本稳定，冲坑头部处在坝轴线下游460m断面附近。该断面以下河床冲刷强度减弱，所冲起的泥沙沿着与下引航道轴线大致平行的方向输移，引航道口门区航道未见泥沙淤积。
恢复下游动床初始地形，进行第四个流量级的冲刷试验。下泄12700m3/s流量，1～18号泄水闸同步局部开启泄流，同时电站满发。该流量级因上、下游水头差较小，下游动床区泥沙冲刷发展缓慢，是四组试验中冲刷强度最弱的一组。历时1h后，冲坑才发展至坝轴线下游200m断面处。冲刷发展较快的仍是3～5号泄水闸下游，这与其流速分布式相应的。第8孔泄水闸下游冲刷发展也较快，局部已冲至基岩面。冲刷至110min时，冲坑头部发展到坝轴线下游370m断面稍下部位，此时，局部冲刷接近平衡状态。冲起的泥沙沿动床区向下游输移，输移速度较缓慢。在坝轴线下游460m断面处，泥沙仍有向右扩散之趋势，但扩散带很窄，动床区右侧河道基本上是清水下泄。下引航道口门区因受到弧形导航墙的保护，未发现来自动床区的泥沙淤积，口门区航行条件良好。导航墙基础部分发生局部冲刷，冲刷深度1～3m。因此，导航墙基础埋置深度宜达到基岩面为妥。
四、下坝线试验结论与建议
（1）下坝线泄流能力与上坝线基本相近，校核泄量下，坝前水位48.57m，比设计校核洪水位低0.43m，泄流能力满足设计要求。
（2）仅在校核洪水泄量下，闸弧形门支铰点高程位于水面线之下，影响闸门正常运行，其他工况支铰均高于水面线；在各级泄量下，船闸闸室闸墙的高程均位于水面线以上。建筑物下游各边墙与中隔墙的顶高程由设计单位根据水面线测量成果确定。
（3）在机组发电各工况下泄洪，泄水闸上下游均无不良流态现象；在大泄量时，机组停发，由于上游河道主流位于右岸，在16～18号泄水闸前存在着自厂房侧而来的横流流态；在泄水各工况下，水流出消力池后与下游水面衔接平顺。
（4）设计选用的消力池型式有易于排沙、结构简单的优点。在绝大多数泄流工况下，出闸水流呈淹没水跃的流态与下游河道水面衔接，水跃跃首出现在闸门后附近或溢流面斜坡段，仅在小泄量开6孔泄洪时为临界水跃或低淹没度水跃，跃首出现在闸室内平底段。在各级泄量下水跃跃尾基本上都能控制在消力池内，消力池的长度和深度能满足要求。
（5）本工程泄洪特点为低水头，大单宽、佛氏数较低和消能率低。即便是在合理的闸门运行方式下，消力池出口流速仍然较大。在消能工况泄量下消力池出口断面最大底流速为5.60m/s，大于河道基岩的允许抗冲流速。另据有关资料反映，低佛氏数水流所具有的紊动能量有时可占到总能量的30%，而这部分能量在模型试验的时均流速中是难以看出的。因此，建议对消力池下游的河床进行必要的防护，防护长度根据流速分布观测结果应不小于150m。
（6）电站上游进水平顺，流速分布比较均匀，厂房尾水与河道水流平稳衔接，在各工况下尾水未见壅高。
（7）本工程有18孔泄水闸，泄洪时闸门的运用调度方式极为重要，不同的运行调度方式对下游流态及流速影响很大。消力池一隔两区的设置对闸门灵活调度分区运用，改善泄水闸下游流态是极有好处。泄洪时可根据泄量大小采用左6孔、右12孔及18孔同步开启的3种运用调度方式，当闸泄流量大于5000m3/s时，宜采用18孔或12孔同步开启运行方式。否则下游河道中的流速较大，将对下游河床及岸坡造成严重冲刷。
（8）定床和泥沙动床试验研究表明，枢纽工程布置方案基本合理可行。
（9）下坝线与上坝线相比较，从闸坝水流条件方面来说差别很小，但从通航水流条件及电站尾水扩散方面来说，下坝线更为优越些。
（10）坝区动床模型试验成果表明，只要电厂正常运行发电，拦沙坎中、下段都不可避免会发生不同程度的泥沙淤积，这是峡江河段自然情况下的河势特点所决定的。在水库运行的前10年内，入库推移质泥沙很可能还没运行到坝前。输移到坝前的泥沙会通过输沙主槽排往下游，在坝前形成相对稳定的冲刷漏斗。
（11）当下泄流量超过最大发电流量时，电厂关闭，运行到坝前的泥沙大都可通过泄水闸排往下游。滞留在拦沙坎中、下段的淤沙可被横向水流悬起经泄水闸排出，拦沙坎是不会产生累积性泥沙淤积。当遭遇5年一遇洪水流量时，关机泄洪是减少坝区淤积和排除拦沙坎泥沙淤积的有利时机，可在坝区形成稳定的输沙主槽。
（12）枢纽下游动床模型试验表明，不同流量级及闸门不同运行方式下，下游河床冲刷过程和强度大不相同。超过一定泄量时，采用1～6号泄水闸泄洪不仅不利于排除坝前泥沙，而且对下游河道冲刷也最为不利。因此，建议应尽量避开单独开启左6孔泄水闸泄洪的运用方式。
（13）上游引航道口门区底槛高，远离推移质主输沙带，口门区不会因泥沙淤积而碍航。下游冲刷动床模型试验表明，由于下游河道深泓线位于左侧，下游河道冲起的泥沙可沿着深泓线向下游输移，不易在下游引航道口门区落淤。