大型水利庫壩多孔溢洪道優(yōu)化設計研究

李文峰

（無棣縣王山水庫管理所，山東 無棣251900）

0 引言

大型水利庫壩是我國水利工程建設的重要樞紐工程，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與財產(chǎn)安全保護起到及其重要的作用。溢洪道作為水利庫壩防洪、泄洪的重要手段，不僅能夠有效調節(jié)水庫水位，起到對區(qū)域水資源調度作用，也能夠對水資源尤其是發(fā)電方面起到十分重要的作用[1～3]。

目前，我國關于單溢洪道小型水利庫壩的研究已較為成熟[4～6]，但針對含多孔溢洪道的大型庫壩設計及優(yōu)化工作的研究仍然較少。寧景昊[7]在依托某水電站溢洪道工程實例基礎上，通過室內(nèi)數(shù)值模擬軟件對對溢洪道主要水力特性進行分析計算，并基于室內(nèi)試驗及數(shù)值計算分析結果，提出一系列科學、合理的經(jīng)驗公式，取得了良好的擬合效果；王釗[8]基于數(shù)值模擬計算與物理模型試驗相結合的研究方法分析了多孔抖槽消能率在5 種復雜影響因素影響下發(fā)生的變化趨勢，并探討了多因素的作用效應；楊麗萍等[9]通過基于室內(nèi)多孔消能板的陡槽溢洪道的水流流速試驗，展開了角度及粗糙度等多因素對下游水槽消能特性研究,并基于試驗結果分析各個因素對設置多孔溢洪道消能率的實際影響程度，提出多孔消能板處理方案的消能率能夠達到80%以上，其對水流的消能效果最佳；此外，部分學者通過采用新方法對多孔溢洪道的水力特性進行了研究，沙海飛等[10]利用VOF 方法處理自由水面,指出受閘墩、邊墩等的影響,溢洪道不同孔的過壩水流的水面線、壩面壓力存在一定的差異性,研究結果為溢洪道的水力設計提供可靠的設計依據(jù)。

上述研究多限制于數(shù)值模擬計算方法，故本文在實際工程調查基礎上建立室內(nèi)物理模型試驗，并通過分析計算進一步驗證室內(nèi)試驗模型的可靠性。基于計算結果探討原設計的可靠性及缺點，并提出多種優(yōu)化方案進行比選得出最佳優(yōu)化設計方案。

1 工程現(xiàn)狀

某大型水利庫壩為工程水電站庫壩，壩體采用碾壓式混凝土重力壩，具有泄洪、蓄水、能源等多重作用。庫壩最大高度達120.25 m，日常蓄水高度在80.10 m 左右。泄水建筑物采用壩身多孔（3 孔）溢洪道結構進行洪水防治。受氣候條件影響，地區(qū)每年七月為防洪汛期，汛期水位高度可能會超過水庫壩高，發(fā)生壩頂溢流災害；此外，在水庫河道下游防沖區(qū)存在較嚴重的沖蝕情況，對下游坡體安全造成極不利的影響。經(jīng)過現(xiàn)場調查，得出該水利庫壩及壩身多孔溢洪道等建筑結構參數(shù)見表1。

表1 水利庫壩及壩身多孔溢洪道等建筑結構參數(shù)

2 試驗方案與原設計分析

2.1 試驗設計

該溢流壩壩頂高程為562 m，檢修門尺寸為15 m×18 m，泄槽坡度為1∶0.75，泄槽寬度為52 m。通過現(xiàn)場參數(shù)調查及室內(nèi)方案設計討論，綜合考慮河道水力特性、河床河岸、水面流態(tài)等問題，得出室內(nèi)多孔溢流庫壩物理模型采用比例尺為1∶80，能夠滿足消能防沖及侵蝕問題模擬工作。基于三峽大學水利實驗室建立該溢流壩水工模型，模型具體設計參數(shù)比例尺見表2。

通過上述模型對不同工況下河流庫水位變化進行模擬，得出模型計算結果見圖1。由圖1 可知，三孔全開下工況下，庫水位隨流量變化模型試驗模擬計算結果曲線與試驗結果散點值之間能夠相互對應，由此可見，模擬結果具有高度的可靠性。進一步的，觀察不同工況下庫水位隨流量變化，圖中e 表示閘門開口寬度，由此可知，隨著閘門的逐漸開放，多孔溢洪道泄流效果越來越好：閘門開口e=2 m 條件下，當水庫流量超過1420 m3/s 后即會出現(xiàn)水庫水位超過壩頂高程的情況，隨著閘門開口度的增大，e=4 m、6 m、8 m、10 m 及12 m 條件下超過庫壩水位時對應流量分別為2315 m3/s、3426 m3/s、4512 m3/s、5426 m3/s及6789 m3/s。結果表明，在不同時期通過控制閘門開口度進行水庫水位控制，對水庫防洪、產(chǎn)能等功能能夠起到很好的調度作用。

表2 庫壩物理模型物理量比例尺

為有效評定不同時期水庫流量對庫壩的影響，進一步計算得出不同庫流量下水位綜合流量系數(shù)，計算方法如下式：

式中：Q 為庫流量，m3/s；e 為閘門開口寬度，m；H 為堰頂水頭，m；g 為重力加速度，取g=9.8m/s2進行計算。

基于上述模型數(shù)據(jù)，得出綜合流量系數(shù)計算結果見圖1。由圖1 可知，日常水位條件下水庫的綜合流量系數(shù)在0.439～0.483 之間，且隨著庫水位及流量增大呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。

圖1 溢洪道水位- 流量曲線及綜合流量系數(shù)曲線

2.2 原設計分析

圖2 為室內(nèi)試驗所得及原設計條件下庫流量隨庫水位變化趨勢，由圖2 可見，在正常蓄水位下，壩體能夠滿足工程實際要求，且二者之間相差不大；當水庫水位隨季節(jié)變化逐漸提高時，原設計在考慮到多重因素下，充分提高了壩體的防洪設計要求水準，使得高水位下設計水流量遠大于實際流量，因此可見，原庫壩多孔溢洪道設計能夠滿足水庫防洪實際的要求。

此外，進一步對上、下游水面流態(tài)進行分析，研究發(fā)現(xiàn)，溢洪道上游庫區(qū)水位能夠保持平穩(wěn)狀態(tài)，并且水體流速很小，基本可視作靜態(tài)流區(qū)；水體經(jīng)過庫壩后流速大幅度提高，且?guī)靿蜗掠嗡骈_闊，因此出現(xiàn)較高的水冠（8.0 m），河面流態(tài)較差，因此，需要通過對閘墩尾進行優(yōu)化，合理調整水面流態(tài)。

圖2 設計泄洪流量與試驗實際流量

3 優(yōu)化設計方案比選

根據(jù)原方案物理模型試驗結果可知，原設計能夠滿足庫區(qū)任何時間泄洪設計，但對于下游水面流態(tài)控制性較差，產(chǎn)生較高水冠因此需要對挑流鼻坎進行優(yōu)化。經(jīng)過深入討論，提出以下三個方案進行優(yōu)化設計，并基于室內(nèi)實驗結果對三種優(yōu)化方案進行比選。

（1）方案一：在墩尾下游修建一半圓形尖頭閘墩，且控制弧度半徑為7 m，通過弧度對挑水高度進行有效調節(jié)。

（2）方案二：受墩頭流線型影響，其末端相交點據(jù)墩頭末端越遠，則河面流態(tài)越差，因此可將試驗墩頭直接設計為半圓形。

（3）方案三：落水點的位置隨水庫水位不同而變化，特別是相鄰開孔寬度不同時，水冠偏向于向開口小的一側并容易砸到邊墻。因此，設計將中隔墩長度優(yōu)化設計向下延伸5 m。

圖3 為不同優(yōu)化方案下水流速隨離庫壩距離變化對比，由圖3 可知，不同方案下水流速隨離庫壩距離均呈現(xiàn)處相同的變化規(guī)律，即流速先快速上升后趨于平穩(wěn)狀態(tài)。這是由于在距離河壩近的時候水體的水力梯度差較大，重力作用下水的位置發(fā)生快速下降，勢能迅速轉化為動能，水的流速快速增加，而隨著水流相對位置的逐漸增加，水力梯度降低，且摩擦消耗了較大的勢能，因此出現(xiàn)離庫壩遠處水流速度趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 不同優(yōu)化方案下水流速隨離庫壩距離變化規(guī)律

不同優(yōu)化設計方案下下游最大水冠高度見圖4，可知在方案一條件下最大水冠高度為7.05 m，較原設計優(yōu)化效果達11.88%；方案二條件下最大水冠高度為5.98 m，相較于原設計最大水冠高度下降25.25%；方案三條件下最大水冠高度為5.76 m，優(yōu)化效果達到28.00%，由此可見，在本次提出的三種優(yōu)化設計方案中，方案三對河道下游水面流態(tài)優(yōu)化效果最佳，對原設計的優(yōu)化程度達到28.00%。

圖4 不同優(yōu)化設計方案下水冠最大高度對比

4 結論

本文以某大型水電庫壩設計為例，基于室內(nèi)庫壩及多孔溢洪道物理實驗模型多不同工況下水庫運行狀況進行模擬，以保證物理模型的科學性、可靠性。進一步利用模型分析原設計現(xiàn)狀，得出原設計雖然能夠滿足庫壩防洪要求，但其在下游水面流態(tài)呈現(xiàn)出較差的情況，并根據(jù)問題提出三種不同優(yōu)化方案。實驗結果顯示，三種方案對水冠高度優(yōu)化程度分別達到11.88%、2.25%及28.00%，因此采用第三種優(yōu)化方案最佳，能夠有效治理庫壩元多孔溢洪道設計的不足之處。該工程優(yōu)化設計也為我國其他地區(qū)水利工程大型水利庫壩多孔溢洪道設計與建設提供了良好的范例。