水庫溢洪道模型設計及大圓弧導向鼻坎實驗研究

應 飛

(景德鎮市計劃節約用水辦公室 江西 景德鎮 333000)

溢洪道在水利樞紐中承擔著十分重要的泄洪功能，用于排放水利樞紐中多余的水量、泥沙、冰棱、水工建筑物等。水庫一旦出現病險，不但會削弱對洪水的調控能力，還會產生巨大的安全隱患，因此溢洪道是保證水庫安全穩定運行的重要保障。研究表明，大壩失效事故頻繁發生，平均每年有133人死于潰壩事件[1]。引起大壩失效的因素有：地基問題、泄洪能力不足、不均勻沉降、操作失誤、高空隙壓力、壩坡滑移、材料缺陷、地震等[2～3]。其中，地基問題是導致大壩失效的直接因素，因地基問題引起的大壩失效占到了39%；其次便是水庫泄洪能力不足，因泄洪能力不足誘發的大壩失效占到了23%，圖1給出了誘發大壩失效的各因素所占比例情況[4]。

按用途劃分，水庫溢洪道可分為正常溢洪道、非常溢洪道兩種。正常溢洪道用于排泄水庫設計最大洪峰之內的流量；非常溢洪道則在緊急情形下開設，排放設計洪峰之外的洪水[5]。基于國內外現有研究進展，首先介紹了溢洪道挑流消能理論，并指出常見挑流鼻坎的特點。吳持恭提出的挑流消能理論在溢洪道泄水中得到了廣泛應用，使一定流速的射流在特定挑射角下射入空氣，射流與空氣充分摩擦、摻合后落到挑流鼻坎下游水塘中，水流在水塘中撞擊形成沖坑，達到消能的目的。

1 工程概況

玉田水庫距景德鎮市19km，位于浮梁縣湘湖鎮玉田埠村。玉田水庫總庫容7570萬m3，屬于中型水庫，工程等級為Ⅲ等。主要建筑物包括主壩、1#副壩、2#副壩、溢洪道、引水隧洞，設計洪水標準為百年一遇。水庫正常蓄水位為71.0m，死水位52.39m，隧洞不參與泄洪。主壩為均質土壩，壩頂高程77.50m，壩頂寬7m，壩長340m；1#副壩位于大壩左岸上游1.5km的埡口處；2#副壩位于主壩右岸，與主壩右端直線距離約220m，1#、2#副壩采用均質土壩。

溢洪道位于主壩左岸、主壩和1#副壩之間，在原溢洪道上游約65m新建，為漿砌塊石重力壩，壩長240.9m，溢流堰寬度70m，頂高程71.0m。溢洪道為開敞式，溢流段寬46.5m，堰頂高程58.19m，寬頂堰下游接底坡比1∶5.0，采用綜合式消力池消能，消力池池底高程 46.3m，寬 46.5m，長 31.0m，池深2.2m，坎高1.0m。底板為0.8m～1.0m厚混凝土護底，兩側坡比1∶2，為塊石護坡。溢流堰部位地基土為殘坡積粘土，土層較緊密，粘性較好，硬塑狀態，厚度5m～7m，透水性較弱。消力池部位基巖裸露，基巖為厚層狀白云質灰巖，局部夾黑色灰巖，防沖刷能力較強。因水庫擴建，現溢洪道堰頂高程已不滿足擴建后的水庫運行要求，故需對溢洪道進行擴建。

2 大圓弧導向鼻坎實驗方案

2.1 溢洪道模型設計

圖1 誘發大壩失效的各因素比例情況

圖2 溢洪道出口挑坎現狀

由于溢洪道堰頂高程已經不滿足水庫運行需求，為了避免沖刷岸坡，保證壩堤公路安全，建立了溢洪道水工模型，依據模型試驗結果對泄洪排沙洞和溢洪道挑坎進行優化設計。溢洪道出口挑坎現狀見圖2。

表1 第1種實驗方案

表2 方案1各工況沖坑特征情況

表4 方案2各工況沖坑特征情況

溢洪道模型設計時須嚴格按照相似準則進行設計，根據實驗室的大小和相似需求，本模型的幾何尺寸比設置為Lr=50，溢洪道模型為標準正態模型。流量比例尺Qr為17677.67，流速比例尺Vr為7.07，時間比例尺Tr為7.07，粗糙率比例尺nr為1.92。本次模型試驗上游模擬庫區至壩軸線以上300m，庫內制作了溢洪道的引水渠和100m的上游護坡。溢洪道模型的閘室、挑坎、泄水槽等均采用有機玻璃制作，模型粗糙度與原型相似。下游模擬至溢洪道挑坎末端以后200m，其中動床長度180m，下游岸邊地形設置為定床，高程在20m左右。溢洪道出口下游主要消能區基巖高程在15m左右，其覆蓋層小于1m，因此動床鋪沙高程定為15m。下游河床采用天然砂礫模擬河床基巖，該砂礫的粒徑范圍滿足相似準則。

玉田水庫為已建工程，溢洪道軸線和泄槽的外形已經確定，只能通過改變左邊墻的導向曲率來加大導向力度，使挑坎水流盡可能的遠離岸邊，避免挑流水舌落點集中。因此對水庫溢洪道模型進行大圓弧導向鼻坎實驗。

2.2 第1種實驗方案

第1種實驗方案的左邊墻采用大導向圓弧，并對其進行斜平面貼角處理。本方案較原有挑坎進行了以下修改：

（1）將原挑坎的左邊墻改為半徑為24m的導向圓弧邊墻，圓弧起始點樁號為0+280.5m；

（2）在導向圓弧邊墻下段設置了斜平面三角體貼角，以分散溢洪道水舌；

（3）為了使小流量泄洪水流能夠挑射出去，將原挑坎的右邊墻縮短5m。

在第1種實驗方案下觀察泄洪量分別為200m3/s、500m3/s、700m3/s和 1101m3/s（設計百年一遇洪水）共四種泄洪狀態下的溢洪道水舌形狀，下游消能區流速分布和沖淤地形。實驗方案列于表1。

實驗觀測到：在弧形導墻和三角體貼角的共同作用下，挑坎中部和左側的挑流向右翻卷，泄洪量越大，擴散寬度最大；挑坎右側的水流仍然挑入河床，整個水舌形態呈現上下分層并有橫向擴散的趨勢。方案1下的水舌遠離左岸，從根源上解決了岸坡沖蝕的問題。各工況沖坑特征情況列于表2。

2.3 第2種實驗方案

與第1種實驗方案相比，方案2左邊墻采用大導向圓弧，圓弧半徑為30m，挑流坎邊墻末端向下游延伸4m，右墻末端保持不變。整個大圓弧導向鼻坎為右導向斜挑坎，挑坎底面的圓弧較原挑坎延長，實驗方案列于表3。

實驗觀測到的方案2的挑坎水舌形狀和下游流動狀態均與方案1形似。挑坎中部和左側的出挑水流均向右翻轉，有效的阻止了岸坡沖蝕的問題。各工況沖坑特征情況列于表4。從沖刷數據來看，泄洪量小于700m3/s時，洪水對岸坡的沖刷大大減輕，沖坑深度達7m，說明較多的能量被消耗。

3 溢洪道挑流水舌數值模擬

為了驗證溢洪道模型試驗的準確性，利用GAMBIT建立溢洪道網格模型，并采用FLUENT軟件對試驗方案2的挑出水舌進行數值模擬，總網格數目約為22.6萬。本次試驗共采取了3種計算模型：κ-ε模型、RNGκ-ε模型和RKE模型。κ-ε模型中：κ為湍動能，ε為耗散率，這個模型主要針對旺盛的湍流，計算旋流時會有部分失真。RNGκ-ε模型修正了粘度對湍流中小尺度流動的影響，可以很好的處理流線彎曲的湍流。RKE模型引進了旋流的內容，其湍動粘度并非常數，而是與應變率有關的函數。

三種計算模型模擬得到的出口流量相差小于2%。上一節中的模型試驗得到挑高為19m，κ-ε模型計算得到的挑高為17.8m，RNGκ-ε模型為18.2m，RKE模型為18.4m。圖3、圖4、圖5分別給出了3種計算模型模擬得到的流態圖。

圖3 κ-ε模型流態圖

圖4 RNGκ-ε模型流態圖

圖5 RKE模型流態圖

由數值模擬結果可知，3種計算模型模擬結果與模型試驗的水舌形狀基本相似，說明數值模擬精準度良好。3種計算模型中κ-ε模型、RKE模型得到的橫向挑距與模型試驗結果相差較大，而RNGκ-ε模型誤差較小。

4 結語

以玉田水庫溢洪道為研究對象，設計了水庫溢洪道模型，選擇了兩種大圓弧導向鼻坎方案進行試驗研究。試驗測量得出了沖刷深度、最深點位置和設計流量下的水舌形狀。隨后利用FLUENT軟件對第2種方案進行數值模擬，得出了κ-ε模型、RNGκ-ε模型和RKE模型下的模型流態。試驗研究表明：RNGκ-ε模型計算到的流態與模型試驗結果最為接近。

[1]木克然·阿娃,阿力甫江·阿不里米提,木拉提·玉賽音,等.阿拉溝水庫溢洪道流場數值模擬 [J].水利與建筑工程學報,2014,02:38-43.

[2]趙保利,李曉東.淺談桃曲坡水庫溢洪道工程結構設計要點 [J].陜西水利,2014,02:98-99.

[3]岳生娟,張法星,曲景學,等.某水庫溢洪道泄洪消能的試驗研究 [J].中國農村水利水電,2014,10:120-122+125.

[4]楊磊,徐宏亮,唐培磊,等.許家崖水庫溢洪道消能防沖方案模型試驗研究 [J].水力發電學報,2014,06:149-154.

[5]田莉,趙濤.某水庫溢洪道出口挑流鼻坎優化試驗研究[J].人民黃河，2013，08:132-133+136