巖門子水庫豎井旋流泄洪洞結構優化設計

冉 堯

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

巖門子水庫位于貴州省桐梓縣窯匠溪下游河段，工程任務為桐梓煤電鋁加工一體化園區及集鎮供水。水庫總庫容1050萬m3，最大壩高84.0m，水庫正常蓄水位690.00m，死水位661.50m，正常蓄水位庫容849萬m3，死庫容224萬m3，興利庫容625萬m3。水庫為中型水庫，工程等別為Ⅲ等，水庫大壩為2級建筑物，泄洪洞、取水兼放空隧洞為3級建筑物。為了更合理地確定與工程實際相匹配的泄洪建筑物工程布置和結構體型，需通過水力模型試驗對泄洪建筑物的水力學條件進行全面分析，以獲得不同工況下泄水建筑物的泄流能力、泄洪形態等特征指標，為工程優化設計提供詳細數據支撐[1- 2]。

2 豎井旋流泄洪洞結構設計

巖門子水庫大壩為混凝土面板堆石壩，根據工程特性結合庫區兩岸耕地、林地情況，尤其是防護對象及其它專項設施的控制性高程，泄水建筑物最終選定為開敞式側槽溢流進口+明渠引水道+渦室+豎井旋流泄洪洞+退水洞+消力池的設計方案。原設計豎井旋流泄洪洞上平段平面及剖面，如圖1—2所示。

圖1 原設計豎井旋流泄洪洞上平段平面

圖2 原設計豎井旋流泄洪洞豎井段剖面

進口段為開敞式自由溢流，采用側槽WES實用堰[3]，溢流堰寬40.0m，堰前引水渠長8.0m，寬40.0m，底坡i=0。引水道為明渠形式，長45.0m，含調整段25.0m(寬12.0m，底坡i=0)和收縮段20.0m(寬12.00～10.0m，設計底坡i=0.05)，墻頂高程與壩頂高程697.00m等高。

渦室段是使引水道水流形成穩定旋流的必要措施[4]，設計擬定直徑φ=9.0m的圓體結構和渦室與引水道連接段組成。為使渦室形成旋流，連接段左側采用1/4橢圓曲線與渦室圓弧相切；連接段右側采用平行于引水道軸線方向直線連接，長18.46m，直線與渦室圓弧交點距橢圓曲線與圓弧交點260.5°，右側連線段設計底坡i=0.05，渦室段總高21.3m。

豎井作為旋流消能的主要設施，同時也為其與退水洞連接段提供必要的壓力水頭，通過旋流作用的水流離心力，使得下泄水流形成空腔，同時增大洞壁水壓力和水力摩阻、延長流程，達到防止空蝕和消能的目的[5]。經計算確定豎井直徑為9.5m，總深65.69m。

泄洪洞首端為退水洞，長25.0m，退水洞進口頂部采用1∶5的壓板將原泄洪洞斷面縮小，經壓板縮小斷面后退水洞實際斷面為8.0m×8.43m的矩形；泄洪洞設計斷面為城門洞型，寬8.0m，高11.0m，洞長330.17m，頂拱中心角120°，設計底坡i=0.025。

消力池設于退水洞末端，采用底流消能形式，全長58.38m，寬8.0m。溢末端設消力坎，坎頂高程612.08m，消力池深4.08m，末端下游左側設導墻將下泄洪水排入下游河道。

3 水力模型試驗

3.1 試驗模型設計

為便于試驗中對水流流態觀察、拆卸組合和優化調整，試驗模型按圖1—2所示結構體型采用有機玻璃組合件進行組裝。為了了解泄洪建筑物泄水時壓力分布情況，在其沿程特征位置布置測壓管。通過全面系統的檢查，確定模型中地形高程誤差控制在±3mm以內，平面誤差控制在±5mm以內，建筑物高程誤差控制在±0.2mm以內，以保證模型和原型幾何相似性，確保試驗精度。

3.2 試驗成果分析

根據泄洪洞設計結構體型制作好水工模型，通過模型試驗觀測分析不同工況下泄水建筑物的泄流能力、各測點壓強測量結果[7]，見表1—2，如圖3所示。

表1 泄流能力試驗成果

圖3 校核工況上平段及豎井壁面壓力分布

表2 不同工況下各測點壓強測量結果單位：9.8kN

表1—2和圖3試驗結果分析表明：①不同工況下泄洪洞實際泄流量均大于設計泄流量，泄流能力滿足設計要求。在消力池段水流為急流，水面比較平順，只在末端斜坡上產生壅水，池內并沒有形成水躍。②試驗時嘗試雍高尾水，觀察到當尾水雍高到625.44m高程時，在消力池中后部會形成水躍。此時，下游水位比消力池底板高約16.7m，相差較大，需對消力池方案進行優化。③水面線實測結果表明：上平段水流較為平順，設計邊墻高度滿足要求。水流進入渦室后，順利起旋，在下游壁面水位最高，無不良流態。根據觀察，各工況旋流豎井內水流均旋轉0.5～1.0圈后到達豎井底部，豎井壁面均被水流覆蓋。消力井內水墊較淺，壓坡設置較高，旋轉水流落入時，消力井內水流急劇翻滾，不斷摻氣，劇烈波動摻氣水流隨后進入壓坡段，致使壓坡段充滿大量摻氣水流，清水深度極小。摻氣水流翻滾充滿整個壓坡，致使其后泄洪洞內水面產生較大波動，水流呈跳躍式前進，同時所摻氣體也會隨水流流向下游而慢慢消散。④渦室上部壓強較小，但是流速也較小，且隨著高程降低壓強迅速增大，因此不存在空蝕危害[8]。由于水流的旋轉作用，壁面壓力均為正值，同時水流并非均勻地布滿豎井壁面，所以同一高程，豎井壁面壓強并非一致。豎井底部，由于水流沖擊作用，壓力較大，設計需采取措施以減小底板壓強。豎井出口壓坡段，由于壓坡較高，摻氣水流未能充滿壓坡，故壓坡上測點處壓強均為0，設計優化時可適當降低壓坡。

4 豎井旋流泄洪洞結構體型優化

4.1 豎井出口壓坡及消力井優化

試驗分析結果表明：原方案豎井出口壓坡僅在校核工況下能夠完全被充滿，其余工況豎井壓坡均處于脫空狀態，無法起到調整水流流態以及控制水流流速的作用。由于巖門子水庫泄洪洞進口屬開敞式溢流堰，故而旋流豎井需要適應各級流量[9]。正由于需要泄放流量跨度較大，要想實現各級流量下壓坡均處于充滿狀態且同時滿足豎井泄流能力幾乎是不可能實現的。故決定將消能工況(p=3.33%)作為控制工況，保證該工況下豎井出口壓坡處于完全壓滿狀態。經多次優化調整后，設計將壓坡長度增加10.0m，豎井底板高程降低3.0m，可解決出口壓坡處于壓滿狀態同時又減小豎井底板壓強較大問題，且該體型能滿足消能防沖要求。

4.2 渦室旋流流態優化

試驗中發現，不同工況下經過收縮段后均有一股較大水流直接跌落豎井底部，分析認為是由于上平段進入渦室并繞渦室旋轉一圈后水體與上平段入流發生碰撞所致。根據大量豎井設計經驗，在渦室內側增設小挑坎可減弱2股水流碰撞造成的水體跌落現象[10]。若渦室挑坎末端與上平段引水道銜接角度足夠小時，可實現2股水流平順銜接。經多次優化調整，當挑坎半徑R=3.00m，圓心角為72.93°時，直接跌落豎井底部的水流明顯減少，2股水流銜接相對平順，故將其作為渦室小挑坎的推薦體型。

4.3 消力池及出口導墻優化

試驗過程中觀察發現消力池原體型無法在池內形成有效水躍，需壅高約16.7m時才能在消力池中后部形成水躍。優化調整時考慮放棄消力池的設置，并針對出口對河床及對岸沖刷影響作評價。經多次試驗調整，在天然河道有來流的情況下，泄洪洞水流不會對右岸岸坡造成頂沖，將泄洪洞底板末端與消力池尾部610.00m護坦直接通過一斜坡銜接，同時將左側導墻調整成與右側導墻對稱的形式與河道枯期水位線連接，在大流量情況下泄洪洞水流與河道水流匯合后主流基本沿著河道中心，即使是校核工況下泄洪洞水流也不會對河道左岸造成沖刷破壞。同時，隨泄洪洞流量逐漸減小，對對岸影響更趨減弱。

經設計優化后，巖門子水庫豎井旋流泄洪洞上平段平面及剖面結構，如圖4—5所示。

圖4 優化后豎井旋流泄洪洞上平段平面

圖5 優化后豎井旋流泄洪洞豎井段剖面

5 結論

為確保巖門子水庫泄洪建筑物與工程實際具有較高匹配性和技術經濟性，通過水力模型試驗，對豎井旋流泄洪洞的泄流能力、泄洪形態等水力學條件及數值進行深入分析，并結合試驗結果對泄洪洞結構體型進行優化調整，為泄洪建筑物設計提供了詳實的數據支撐。

(1)在滿足水庫泄洪消能的同時，為解決好泄水建筑物在高山峽谷地區的布置，綜合水庫淹沒范圍、移民搬遷及下游河道防沖刷問題，結合庫區兩岸防護對象及專項設施控制性高程，設計采用不設閘豎井旋流泄洪洞布置方案。

(2)水力模型試驗結果表明：①豎井出口壓坡除在校核工況下能完全被充滿外，其余工況均處于脫空狀態，無法起到調整水流流態以及控制水流流速的作用；②不同工況下經過蝸室收縮段后均有一股較大的水流直接跌落豎井底部；③消力池原體型無法在池內形成有效水躍，需壅高約16.7m時才能在消力池中后部形成水躍。

(3)結合模型試驗結果對泄洪洞結構體型進行調整后，各工況條件下溢流堰均能滿足泄流需求，同時豎井中心空腔連續貫通、穩定，沒有出現“嗆水”現象，且泄洪洞出口與下游河道銜接良好。優化調整后結構體型具有較好的泄流、消能和防沖刷效果，泄洪建筑物布置及結構體型經濟合理。