清河水庫第二泄洪洞進口閘中墩體型優化研究

金樹川

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

清河水庫位于遼寧省鐵嶺市清河區境內的清河下游，是一座兼具供水、防洪、灌溉、旅游等多種功能的綜合性大型水利工程，水庫建成以來，一直發揮著顯著的經濟效益和社會效益[1]。清河水庫壩址以上控制流域面積2376km2，總庫容9.71億m3，水庫的泄洪設施包括6孔溢洪道和泄洪洞，其中泄洪道的最大下瀉流量為4210m3/s，泄洪洞的最大下泄流量為300m3/s[2]。

2005年8月上旬，遼河流域普降大到暴雨，清河流域發生超過百年一遇標準的特大洪水[3]。在洪水過后，清河水庫管理處的相關技術人員對本次洪水過程進行分析計算，結果顯示校核洪水位平壩頂，面對比1953年設計更為惡劣的洪水，有必要尋求第二泄洪工程。清河發電廠在2005年進行節水升級改造之后，原有的以清河水庫為冷卻池的大循環冷卻系統停止使用，因此清河水庫管理局擬將該系統的回水隧洞改造設計為第二泄洪洞。

2 模型試驗設計

2.1 模型試驗設計

鑒于水流形態的復雜性和多變性，至今尚無研究水流運動規律的良好方式。因此，無論是傳統的經驗公式還是基于現代計算機信息技術的數學模型分析法，均有自身的不足和局限[4]。所以，大型水利工程設計，不僅需要利用理論公式設計，還需要利用水工模型進行驗證。水工試驗設計不僅可以解決理論研究的不足，還可以驗證水工布置的合理性，從而用于工程實踐。

結合清河水庫第二泄洪洞的改建工程實際，本次模型試驗設計應該滿足SL155- 95《水工(常規)模型試驗規程》[5]和SL158- 95《水工建筑物水流壓力脈動和流激震動模型試驗規程》[6]等相應的水工設計規范要求。此外，模型應該按照佛汝德相似定律設計，以滿足重力和阻力相似性條件。

2.2 模型的制作

根據水工模型制作規范的相關要求，模型的幾何比尺選定為35。進口壓力段和洞身部分分別采用有機玻璃制作，厚度分別為10mm和8mm，糙率為0.008，和原型0.014的糙率大致相當。泄洪洞的出口下游河道利用水泥砂漿粉制成，利用天然砂模擬河道的基巖和覆蓋層，出口河床的基巖采用抗沖流速法進行模擬，模擬的長度和寬度暫定為500m和300m，模擬材料為散粒料[7]。

3 中墩的體型設計試驗研究

3.1 直立式中墩

3.1.1 橢圓形中墩

對上述中墩設計進行模型試驗，觀察顯示水流流態隨著水庫蓄水位的提高而不斷變化，且在各級特征水位下，中墩的尾部均產生了強烈的水翅，并沖擊泄洪洞的頂部，水翅跌落處的兩側水面雍高明顯，中間水面下凹，水面紊動變化十分強烈。此外，隨著庫水位的不斷升高，水流紊動變化更為劇烈，水流流態進一步變差，并與中墩的壁面發生分離。總之，采用傳統的橢圓形中墩設計，會致使兩股高速水流相互碰撞，造成巨大的水流沖擊力，從而產生具有顯著危害性的水翅，使得下游水流的流態極不穩定。

3.1.2 流線型中墩

橢圓形中墩的模型試驗結果顯示，進水塔段對水流的阻礙作用不大，水流形態較為平順，但是中墩尾部出現了嚴重的水流對沖，水流在巨大的沖擊力的作用下形成水翅，流態較差。為解決橢圓形中墩造成的水流形態不穩定問題，將中墩的尾部加長13m，長度由原來的73m加長到86m，設計為流線型中墩體型，并在樁號為0+056.96～0+061.96范圍內增設半徑為15.41m的圓弧收縮型延長段。

對上述設計進行模型試驗，試驗結果顯示流線型中墩體型水流流態得到了明顯改善，主要表現為水流的相互撞擊作用明顯減弱，在3種不同的水庫水位下，該設計均能明顯改善中墩墩尾的水流流態。但是，水面紊動現象仍然比較明顯，在水庫水位較高情況下，局部仍然會產生水翅。

3.1.3 直立中墩設計存在的問題

模型試驗結果顯示，無論是橢圓形還是流線型直立中墩，均會在中墩的墩尾部位產生不同程度的水翅，并且會隨著上游水庫水位的升高而增強，同時造成下游水面紊動變化，水流形態較差。分析其主要原因為：在上述兩種方案中，采用的均是傳統的直立型中墩，其尾部斷面的高程相等，當中墩左右的兩股水流在中墩尾部交匯時，由于水流的對沖作用而產生強大的沖擊力，在這種沖擊力的作用下，兩股水流的沖擊荷載均會集中于同一斷面，這是水翅產生的根本性原因。另一方面，水流在中墩尾部附近水面，先是急劇下降再劇烈反彈，從而引發強烈的水翅。綜上所述，中墩尾部的水流對沖和水面下凹是水翅產生的兩個主要原因。

3.2 能量分配型中墩設計

上述模型試驗的結果顯示，傳統直立式中墩，會產生不同程度的水翅現象，其主要原因是中墩尾部的水流對沖和水面下凹。因此，有必要對中墩的結構體型進行再次優化，盡量減少水流對沖作用，改善水流流態。

3.2.1 模型設計的思想和方案

基于上述分析，在傳統直立式中墩的基礎上，將尾墩部位設計為能量分配型中墩，以改變中墩兩側水流的不同交匯位置，盡量消減水流的對沖作用，從而解決中墩尾部水翅過高的問題。其基本設計思想為：將中墩中軸線的水平面投影定義為x軸，水流方向為正方向，以垂直于x軸的方向為y軸，其中豎直向上的方向為正方向，優化后的中墩由上下兩部分組成，上部為傳統的直立型中墩，下部改為斜尾墩，中墩的整個尾部沿X軸方向自上而下逐級收縮，最終收縮至中墩的底部。上述設計的目的是將中墩左右兩側的水流自上而下逐級匯合，使其交匯處處于不同高程的斷面上，從而實現水流的均勻分配和水翅分級承擔，有效改善水流形態。

能量分配型中墩的上部和下部結構均為橢圓曲線方程，其基本控制參數如圖1所示。其中，曲線A1A2的方程為：

(1)

曲線A1A3的方程為：

(2)

式中，a—中墩上部橢圓曲線的長軸，m；b—下部W高程平面內橢圓曲線的長軸，m；c—中墩的厚度，m；k—中墩上下兩部分交線的最高點與W高程之間的距離，m。

圖1 能量分配型中墩基本控制參數示意圖

3.2.2 能量分配型中墩的具體設計

在能量分配型中墩設計中，進水塔段的中墩體型與直立式中墩設計完全相同，將中墩的尾部加長11.24m，長度由原來的24.0m增加到35.24m。參照上節中的模型設計思想，結合上節模型試驗過程中暴露出的直立式中墩的結構缺陷，將能量分配型中墩的體型控制參數初步擬定見表1的數值。

表1中墩體型控制參數數值 單位：m

模型試驗結果顯示，在上游水庫的各級水位下，泄洪洞采用能量分配型中墩雖然也會產生水翅，但是高度明顯降低，規模較小，不會接觸泄洪洞的拱頂和邊壁，因此不會對泄洪洞水面上部的通氣造成影響，可以明顯改善高速水流造成的沖擊波，水流形態得到明顯的改善。總之，泄洪洞采用能量分配型中墩是合理的，可以作為最終推薦方案。

4 結語

本文以清河水庫第二泄洪洞為例，利用模型試驗法對中墩體型優化展開研究，并獲得了如下結論：

(1)根據模型試驗，傳統直立型中墩在尾墩合并處會產生危害性水翅，水流流態較差，會給泄洪洞安全運行造成嚴重危害，因此不建議使用這種體型的中墩。

(2)針對傳統直立中墩尾部水翅問題，提出能量分配型中墩，模型試驗結果顯示能夠有效分散水流沖擊力，可以有效改善水翅問題，建議采用這種中墩體型。

(3)能量分配型中墩雖然在改善水流流態、消若水翅方面具有重要作用，但是結構比較復雜，建議在施工時要加強質量管控。