前坪水庫溢洪道單體水工模型試驗研究及分析

(1.河南省水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 2.河南省科達水利勘測設計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 水庫及工程概況

前坪水庫位于河南省洛陽市汝陽縣，水庫控制流域面積1325km2。樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站廠房、退水閘、灌溉閘及消能防沖建筑物等組成。設計洪水標準500年一遇校核，庫水位418.36m；5000年一遇校核，庫水位422.41m。防洪庫容2.10億m3，興利庫容2.61億m3，總庫容5.90億m3，為Ⅱ等大(2)型工程。

溢洪道工程位于樞紐左岸，軸線總長415m，其中引水渠長度252m，閘室段長度35m，泄槽段長度116m。堰型采用WES曲線型實用堰，堰頂高程403.00m，共5孔，每孔凈寬15m，閘室寬度87m，長度35m，下接泄槽段和消能段，消能方式采用挑流消能。溢洪道每孔設1扇弧形工作閘門，每扇閘門由1臺弧門液壓啟閉機操作。為驗證前坪水庫溢洪道設計布置方案的合理性和優化的可能性，根據模型與原型的相似準則，選用比尺1∶50的正態模型對溢洪道泄流能力、水面線位置、水流流速流態、壓力分布、消能方式、進出口體型等進行了全面系統的研究，嘗試采用不同導墻形式改善進口水流流態，并給出了有利于消除不良流態的導墻形式。

2 模型設計

根據相似準則，按照重力相似設計水工模型[1-2]，該模型為幾何比尺1∶50的正態模型。模型主河槽及兩岸山體設計主要是通過水泥砂漿粉面拉毛處理來滿足阻力相似準則，溢洪道正態模型采用有機玻璃制作，模型長度范圍取閘室進口向上游120m至下游挑流鼻坎下100m，總長度351m；模型寬度范圍以不影響溢洪道進水口流態為依據，模型高度以校核洪水位情況下，上下游水位加20cm超高控制。為了確保試驗精度，使模型能準確反映原型水流狀況，在模型進水口增設多道花墻以平穩水流；加之河道的天然調整能力，該模型范圍對于滿足試驗段流場與原型流場的相似是足夠的。

3 原設計方案試驗結果

3.1 泄流能力及水位流量關系

試驗是在選定的溢洪道上下游河道為定床基礎上進行的。試驗工況依據設計單位提供的特征水位流量進行(試驗數據詳見表1)。

表1 溢洪道試驗實測特征水位及流量關系

從表1可以看出，在施放50年一遇洪水時，試驗實測泄量為7789m3/s，較設計值大1.33%；在施放500年一遇(設計)洪水時，試驗實測泄量為8800m3/s，較設計值大1.76%；在施放5000年一遇(校核)洪水時，試驗實測泄量為12867m3/s，較設計值大4.75%；各工況下，泄流能力滿足設計要求。

3.2 沿程水面線

試驗采用固定測針和活動測針相結合來觀測水位。在三種工況下，水流主體均偏向進水渠左側，水位左高右低，由上向下，水位逐漸下降。斷面最大橫向水位差為2.32m左右。各特征工況下水流均未超過邊墻，邊墻高度設計合理。

3.3 動水時均壓力

在三種特征水位下，溢洪道沿程所測的壓力數據均為正壓，無負壓出現，壓力分布良好。閘室控制段最大壓力和最小壓力均出現在校核水位時，最大壓力位于0+023.50斷面，為20.19m水柱，最小壓力位于0+012.00斷面，為0.84m水柱；泄槽段最大壓力出現在校核洪水位時0+139.00斷面，為22.14m水柱，泄槽段最小壓力出現在50年一遇洪水位時0+149.00斷面，為0.55m水柱。

3.4 流速流態

流速流態在三種工況下，上游庫區水位平穩，溢洪道進口引渠段水流平順，閘室進口右側進流由于受繞流影響，沿右側導墻內側產生微小、連續的小渦紋和回流，導墻內外水位落差最大8.46m。閘室進口左岸進流較為平順，水流流態較好。水流出閘室后在墩尾形成水翅，水流經鼻坎挑射入下游河道，在尾水中發生沖擊、紊動、擴散和漩渦等。實測溢洪道中軸線平均最大流速27m/s，溢洪道的最大挑距為121m，下游沖坑最低點高程為316.36m。

4 溢洪道右側導墻修改試驗結果

根據試驗結果發現，溢洪道閘室進口右側進流由于受繞流影響，沿右側導墻內側產生大范圍回流區，導墻內外水位落差較大，且溢洪道閘前水面形成較大的橫向比，從左向右水面逐漸減低，使進閘水流分布不均勻，為改善溢洪道進口右側水流流態[3]，減少對泄流能力的影響，對溢洪道進水渠右側導墻進行一系列優化試驗[4-6]。

4.1 溢洪道右側導墻修改方案

溢洪道右側導墻共進行3個方案的比對試驗(具體修改方案如下表2)。

表2 溢洪道進口導墻修改方案

4.2 溢洪道右側導墻修改后試驗結果

選取5000年一遇校核洪水作為試驗工況，在試驗過程中各種方案均控制相同泄量，以便對各試驗方案進行對比分析(溢洪道右側導墻修改方案前、后在校核洪水位下的進水渠水流流態分別如圖1～圖4所示)。

圖1 原方案溢洪道進口水流流態

圖2 方案一溢洪道進水口流態

圖3 方案二溢洪道進水口流態

圖4 方案三溢洪道進水口流態

根據以上試驗結果，三種方案均滿足溢洪道泄量要求。方案一進口處水流較平順，右側導墻附近沒有出現強烈的旋流，水流流態較好，凹度最深處內外水位差約7.92m；方案二墩前進口水面波動、旋滾、水流紊亂，凹度最深處內外水位差約8.73m；方案三墩前進口處水面輕微波動，導流前段有小范圍回流，凹度最深處內外水位差約9.27m。由此可見，方案一達到對進水渠右導墻進行優化的目的，且方案一在校核水位下泄量比原方案分別增加27m3/s，故推薦采用方案一的體型作為溢洪道進口右側導墻的布置型式。

4 結論與建議

試驗結果表明，溢洪道各工況下泄流能力均能滿足設計要求。通過三種右導墻體型試驗分析可知，方案一導墻體型在一定程度上削弱了導墻附近強烈的旋流，使進口水流趨于平順、穩定，并減小了導墻內外水位差；通過本試驗對溢洪道導墻結構形式進行分析和優化，確定了溢洪道導墻的設計參數，為設計提供依據，目前施工采用的是前文所述的方案一，前坪水庫現為在建階段，本試驗也為同類工程提供重要的參考。

[1] SL 155—2012水工(常規)模型試驗規范[S].北京：中國水利電力出版社，2012.

[2] 左東啟.模型試驗的理論和方法[M].北京：水利電力出版社，1981.

[3] 包明金，劉雪松，田蜜.溢洪道引水渠進口導墻形式優化研究[J].中國水運，2015，1(1)：145-148.

[4] 王均星，白呈富,李譯.巴山水電站溢洪道導水墻體體型優化試驗研究[J].武漢大學學報：工學版，2005，38(4)：5-8.

[5] 王玄，王均星，崔金秀.龍背灣溢洪道進水渠導水墻體型優化試驗研究[J].中國農村水利水電：2009(7)：100-102.

[6] 宋永嘉，田林鋼，李河.溢洪道進水渠進口形式試驗研究[J].人民黃河：2005，27(9)：56-57.