幫東河水庫泄水建筑物整體水工模型試驗研究

梁 堅

(云南省昆明市水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650231)

擬建幫東河水庫位于云南省臨滄市鎮康縣忙丙鄉麥地河上，水庫總庫容1396×104m3，為3等中型水庫。樞紐建筑物由大壩、溢洪道和導流泄洪輸水隧洞組成。大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1631.60m，壩頂寬10m，壩頂長279m，最大壩高87.2m。溢洪道位于大壩左岸，為無閘控制開敞式駝峰堰，堰頂高程與正常蓄水位相同，為1628.05m，堰高0.9m，控制段凈寬6m，軸線與壩軸線直交，溢洪道由進水渠段、控制段、泄槽上段、拋物線連接段、陡槽下段、消力池段、出水渠段組成，全長536.46m。采用底流式消能，消力池長21m，寬6m。導流泄洪輸水隧洞布置于右岸，采用臨時導流與永久泄洪輸水相結合的布置方式，進水豎井前分開布置，豎井后兩洞結合，導流進口高程為1563.00m，泄洪輸水進口高程為1590.00m，采用進水豎井取水。泄洪輸水隧洞全長556.7m，其中有壓洞段長358m，出口閘室及明渠段長198.7m，與導流共用段長529.7m。導流泄洪輸水隧洞斷面尺寸為直徑2.0m圓形，出口弧形工作閘門尺寸為1.6m×1.6m。采用底流式消能。

1 基本資料

(1)水庫特征水位、下泄流量及泄水建筑物水工模型試驗工況見表1。

(2)溢洪道設計流量系數0.42，泄洪洞設計流量系數0.52。

(3)混凝土襯砌表明糙率n=0.015。

(4)調洪方式：5年一遇以下洪水由溢洪道單獨下泄，超過5年一遇洪水時開啟泄洪洞閘門參與泄洪。

表1 泄水建筑物水工模型試驗工況表

2 原設計方案試驗

2.1 泄流能力復核

溢洪道和泄洪隧洞設計特征水位實測的流量和綜合流量系數值分別見表2。

表2 原設計方案泄水建筑物實測特征流量值及綜合流量系數

結果表明，30年、50年和1000年一遇洪水實測流量均大于對應頻率洪水流量的設計值，溢洪道實測流量值比設計流量值分別大了6.08%、6.43%和1.61%，泄洪洞實測流量值比設計流量值分別大了1.84%、2.11%和3.35%，表明原設計方案溢洪道和泄洪隧洞的過流能力滿足設計要求，并有一定富余。

2.2 原設計方案復核結論和存在的問題

通過試驗復核，原設計方案的結論和存在問題如下。

2.2.1 溢洪道

(1)溢洪道泄洪能力有一定富余；

(2)溢洪道設計基本合理；

(3)溢洪道消力池和出水渠邊墻高度不足。

2.2.2 泄洪隧洞

(1)泄洪隧洞工作閘門后水流在泄槽豎直圓弧段嚴重脫離底板，拋射水流直接沖擊消力池底板；

(2)在下泄30年一遇及以上洪水時泄洪隧洞消力池內均為遠驅式水躍，消能水體嚴重不足，消能工失效。

3 試驗優化

針對原設計方案存在的主要問題采取如下優化方案：

(1)泄洪隧洞采用由上游到下游的試驗優化次序，首先解決消力池上游的閘后水流脫底且直接沖擊消力池底板的問題。

(2)對消力池出現“遠驅式”水躍的問題，采用跌坎型底流消能工，由試驗確定跌坎深度，以流態、臨底流速和消能效果為目標開展體型試驗優化。

泄洪隧洞閘后泄槽段：經試驗優化，在泄洪隧洞閘后樁號輸0+337.3處設置垂直突跌0.5m，斷面寬由1.6m突擴至2m，后接長5.112m的平段，之后接半徑為45m、圓心角為22°34′22″的圓弧段，在樁號輸0+358.79再接原方案的陡槽段(坡比為0.646)。

泄洪隧洞跌坎型底流消能工：經試驗優化，泄洪隧洞消力池采用跌坎型底流消能工。在泄槽擴散段輸0+383.093處布置坎深為2m的底流消能工，消力池寬同原方案，長31.5m，其中：前23m，池寬由2m漸變為6m，擴散角5°，后8.5m池寬6m。池末尾坎高度增加1.8m，坎高4.8m，尾坎平臺長1.5m，之后接1∶1.5斜坡至原尾水渠。

經試驗優化及修改，較好地解決了原設計方案存在的主要問題。將修改、優化后的建筑物布置及體型方案，確定為推薦方案。

4 推薦方案試驗

推薦方案試驗模型，從溢洪道堰頂開始至消力池末端，在中軸線底板上布置23個測壓孔，在泄洪隧洞及出口泄槽和消力池沿軸線共布置13個測壓孔。

4.1 流態、流速及水面線

4.1.1 溢洪道

各工況下，進水渠、駝峰堰段及堰后泄槽段內水流平順，流態較好；泄槽平面轉彎段(右轉)內水面呈左高右低的彎道水流形態，有較弱程度的沖擊波，但水流經拋物線段后流速陡增，水流很快調整平順，之后陡槽段內水深均勻，水流平順，流態較好；消力池內均能呈現強迫水躍，池內水流剪切明顯，摻混充分，消力池消能效果較好，消力池體型和尺寸滿足設計要求，出池水流較為平穩。

工況1，在溢0+114.78～0+126.33平面轉彎段內，為水面呈左高右低的彎道水流，溢0+114.78處左邊墻水深為1.05m，右邊墻水深為0.51m，溢0+126.33處左邊墻水深為1.2m，右邊墻水深為0.36m，水面差0.5～0.8m，橫向比降不大。

工況2，溢洪道進水渠內水深2.5～2.8m，流速為0.99～2.03m/s。堰頂水深1.35m，堰頂流速為5.04m/s。堰后泄槽段內流速6.9～9.63m/s，最小水深0.66m。平面轉彎段內，溢0+114.78處左邊墻水深為1.17m，右邊墻水深為0.45m，溢0+126.33處左邊墻水深為1.08m，右邊墻水深為0.33m，水面差約為0.7m，橫向比降小，其后陡槽段流速為8.71～25.52m/s，最小水深0.18m。

工況3，溢洪道進水渠內水深3.7～3.9m，流速為1.1～2.19m/s。堰頂水深2.28m，堰頂流速為3.89m/s。堰后泄槽段內流速為7.12～10.35m/s，最小水深1.05m。平面轉彎段內，溢0+114.78處左邊墻水深為1.86m，右邊墻水深為0.77m，溢0+126.33處左邊墻水深為1.98m，右邊墻水深為0.85m，水面差近1m，橫向比降不大。其后陡槽段流速為10.2～26.55m/s，最小水深0.33m。

4.1.2 泄洪隧洞

對泄洪隧洞閘后泄槽段、消能工進行修改和優化后，各工況下，閘后水流形成底部和側面完全貫通的摻氣空腔，水流與泄槽底部和邊墻相接后貼壁良好，斷面水深均勻，槽內水流摻氣相當充分，跌坎型底流消能工內水流剪切明顯、摻混充分，消力池前段臨底流速降低，池內形成了較好的淹沒水躍流態，出池流態得到大幅度改善，尾水渠內流態較好。

工況1時，泄洪隧洞出水閘后在樁號輸0+337.300處流速為22.89m/s，其后泄槽段水深1.2～2.16m，流速19.53～21.52m/s。池內最大水深7.56m(輸0+404.686處)，最大臨底流速20.87m/s，消力池尾坎坎頂處水深2.34m、底流速6.30m/s，消力池后出水渠中軸線水深1.59～0.69m，流速3.94～10.90m/s。

工況2時，泄洪隧洞出水閘后在樁號輸0+337.300處流速為22.93m/s，其后泄槽段水深1.26～2.19m，流速19.68～21.78m/s。池內最大水深7.59m(輸0+404.686處)，最大臨底流速18.62m/s，消力池尾坎坎頂處水深2.4m、底流速6.08m/s，消力池后出水渠中軸線水深0.81～1.81m，流速4.12～11.45m/s。

工況3時，泄洪隧洞出水閘后在樁號輸0+337.300處流速約22.82m/s，其后泄槽段水深1.71～2.52m，流速19.88～21.62m/s。池內最大水深7.8m(泄0+457.979處)，最大臨底流速19.77m/s，消力池尾坎坎頂處水深2.55m、底流速6.24m/s，消力池后出水渠中軸線水深0.81～4.05m，流速6.00～7.50m/s。

4.2 時均動水壓強

4.2.1 溢洪道

實測結果表明，各工況下推薦方案溢洪道底板各部位均未出現負壓，時均動水壓強值正常，分布合理。

工況1時，壓力最小值0.3m水柱發生于Y1(堰頂)處，最大值4.68m水柱發生于消力池內Y23處；工況2時，壓力最小值0.33m水柱發生于Y15(泄槽下段)處，最大值4.56m水柱發生于消力池內Y23處；工況3時，壓力最小值0.66m水柱發生于Y17(泄槽下段)處，最大值5.22m水柱發生于消力池內Y23處。

4.2.2 泄洪隧洞

泄洪隧洞底板各部位均未出現負壓，壓力分布正常。

4.3 水流空化數

溢洪道最可能出現空化水流的位置在緊接消力池的上游泄槽陡坡段，泄洪隧洞最可能出現空化水流的位置在閘后泄槽段。

溢洪道泄槽段水流空化數工況1時，最小值為0.33，工況2時，最小值為0.32，工況3時，最小值為0.31，均出現在Y19處。各工況下空化數均大于0.3，可以判斷試驗各工況下溢洪道水流發生空化的可能性較小。

泄洪隧洞閘后泄槽段水流空化數，工況1時最小值為0.50，工況2時最小值為0.53，工況3時最小值為0.49，均出現在D11處。各工況下空化數均遠大于0.3，不會發生空化。

4.4 消能工流態

溢洪道消能防沖標準時(工況1)，水流進入消力池后產生典型的強迫水躍，消能效果好。消力池后部及出口水面壅高，出水渠段流態較平穩。消力池水躍躍首斷面大致位于溢0+406.100處，池內最大水深均值4.5m(Y23處)，消力池尾坎坎頂水深2.67m，最大臨底流速9.28m/s，水面波動劇烈。

在各試驗工況下，泄洪隧洞跌坎型底流消能工水流紊動強烈、摻混充分、剪切作用明顯，消能效果較好，出池水流平穩，與出水渠內水流銜接較好。

4.5 出水渠流態

溢洪道出水渠流態較好，水面跌落最低處水深為1.98m，流速6.98m/s。泄洪隧洞出水渠水流平順，出水渠內流速合理。

5 設計修改

5.1 溢洪道

根據水工模型試驗復核，原設計方案的溢洪道存在消力池段和出水渠段邊墻高度不夠的問題，因此，做了如下調整：

溢洪道里程0+406.10～0+475.10，消力池段和出水渠段邊墻加高0.5m。消力池邊墻高由4.8m加高為5.3m；出水渠段邊墻高由3.0m加高為3.5m。

5.2 泄洪隧洞

根據水工模型試驗復核，原設計方案的導流泄洪輸水隧洞存在閘門全開時出口產生射流、泄槽段水流脫壁、消力池深度和長度不夠、出水渠邊墻高度不夠等問題，因此，本階段做了如下調整：

(1)隧洞出口工作閘室后泄槽前移2.7m，泄槽首端采用突擴、突跌的方式，寬度由1.6m突擴為2.0m，底坎突跌0.5m。

(2)隧洞出口泄槽豎向曲線段由半徑27.076m、轉角33°，調整為半徑45m，轉角22°34′22″；邊墻高度由3～7.83m調整為高3.5～5m。

(3)消力池改為跌坎型消力池，跌坎高2.0m，消力池尾坎加高1.8m，為4.8m。

(4)消力池邊墻高度由7.0m調整為8.5m；出水渠邊墻高度由2.0m調整為2.3m。

6 結語

通過水工模型試驗復核，原設計存在溢洪道消力池和出水渠邊墻高度不夠，泄洪隧洞出口水流嚴重脫離底板，發生遠驅式水躍，消能工失效等問題。經試驗對體型進行優化后，流態得到大幅度改善，滿足所有工況泄洪要求。