魚枧水庫溢洪道物理模型試驗(yàn)研究

許 暉，肖鑫明

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 工程概況

1.1 工程簡介

魚枧水庫工程為Ⅲ等中型工程，水庫是一座滿足水江工業(yè)園區(qū)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及農(nóng)村人畜飲水等綜合利用的中型水利工程。壩址控制集雨面積為34.3 km2，水庫正常蓄水位為711.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為711.00 m，校核洪水位為711.62 m，水庫總庫容1 295 萬m3，壩頂高程712.20 m，防浪墻頂高程713.40 m，最大壩高為62.7 m。

1.2 工程水文

魚枧水庫壩址不同頻率的洪水洪峰流量見表1。

表1 各級洪水洪峰流量

設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 年一遇。水庫特征水位與流量成果分列于表2。

表2 水庫特征水位及流量成果表

1.3 工程方案設(shè)計(jì)

工程方案采用梯坎與底流消能組合的消能形式，立面設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、消力池、護(hù)坦組成，進(jìn)水渠軸線長94 m（其中直段長16 m，轉(zhuǎn)彎段長78 m），轉(zhuǎn)彎半徑80 m。渠底高程700.00 m，進(jìn)水渠前沿底寬64 m，堰前進(jìn)水渠底寬15.5 m，邊墻頂高程713.40 m。控制堰段長20 m，堰頂高704.00 m，設(shè)2 孔6.5 m×7.0 m（寬×高）扇弧形工作門。溢流凈寬13 m，溢流堰采用4 m 高WES 曲線型低實(shí)用堰。交通橋位于閘墩下游，橋面寬7.0 m，橋面高程713.40 m 與防浪墻頂高程相同。泄槽段總長134.63 m，全段底寬15.5 m。泄槽段縱坡為1∶20、1∶2.2，縱坡變化處直接相連，并從連接處開始設(shè)置坡比為1∶2.2 的臺階。消力池總長32.5 m，底寬15.5 m，池深2.4 m，池底板高程646.50 m，下游河床高程648.90 m，消力池邊墻頂高程653.80 m，下游河道30 年一遇消能防沖工況下洪水位高程651.00 m。

圖1 溢洪道縱剖面圖

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

①量測各種頻率洪水下，溢洪道水面線、水流流速及流態(tài)；②量測各種頻率洪水下，下游河道、岸坡水流流速、流態(tài)、沖刷形態(tài)；③針對溢洪道不合理部位體型，提出合理化建議，并優(yōu)化模型；④調(diào)節(jié)溢洪道閘門開度及閘門開啟方式，提出溢洪道運(yùn)行調(diào)度過程。

2.2 模型試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容要求擬定試驗(yàn)工況（表3）。

表3 試驗(yàn)工況表

2.3 模型制作

模型依據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)（引用規(guī)范《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程SL 155-95》），幾何比尺1∶50。地形模擬范圍為壩軸線上游450 m 至壩軸線下游1 000 m，根據(jù)1∶500 地形圖，用斷面板法和等高線法控制，水泥沙漿抹面制成。溢洪道采用有機(jī)玻璃制作。在下游河道溢0+175.000 m～溢0+350.000 m 范圍內(nèi)鋪設(shè)動床，動床鋪砂高程650.00 m。試驗(yàn)任務(wù)書中提供的抗沖流速為3～5 m/s，試驗(yàn)選用過篩平均粒徑為9 mm 的卵石模擬動床。模型上游水位測點(diǎn)布置在壩軸線上游約280 m 的位置，下游河道水位測點(diǎn)布置在壩下950 m 處，采用固定測針施測。溢洪道邊墻水面線用鋼尺測讀，下游河道水面線及沖坑采用活動測針施測，流速用旋漿式光纖智能流速儀測讀。

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

3.1 對進(jìn)口導(dǎo)墻的優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案進(jìn)口導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)如圖2 所示。觀察試驗(yàn)中原設(shè)計(jì)方案P=3.33%和P=0.1%時進(jìn)口流態(tài): 溢洪道引水渠內(nèi)水流平順，流態(tài)良好。右導(dǎo)墻首部存在局部繞流，強(qiáng)度較弱，未惡化渠內(nèi)流態(tài)。優(yōu)化方案對右導(dǎo)墻首部進(jìn)行了流線型處理，且為了節(jié)省工程量對導(dǎo)墻的尺寸也進(jìn)行了縮減。將右導(dǎo)墻的直線段由原來的16 m 優(yōu)化為10 m，并與半徑為15 m，圓心角為40°的圓弧段相連接，墩頭采用半徑為0.5 m 的半圓。優(yōu)化方案進(jìn)口右側(cè)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)布置見圖3。觀察P=3.33%和P=0.1%時的進(jìn)口流態(tài):進(jìn)口流態(tài)平穩(wěn)，在右導(dǎo)墻處有輕微的擾流，且擾流未惡化溢洪道流態(tài)。右導(dǎo)墻迎水面和背水面的水面差值最大為P=0.1%的1.0 m。

圖2 原進(jìn)口導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)

圖3 優(yōu)化后進(jìn)口導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)

3.2 對控制段與泄槽曲線連接段的優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案控制段與泄槽段采用拋物線相銜接，考慮到從控制段下泄時的水流流速相對較大，經(jīng)過曲線連接段時容易出現(xiàn)水流脫空現(xiàn)象，因此將曲線連接段修改為轉(zhuǎn)彎更為平緩的圓弧段，圓弧的半徑為80 m，轉(zhuǎn)角為25.420°。

3.3 對消力池的優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案的消力池池長56.5 m，池深2.5 m。圖4為原設(shè)計(jì)方案P=3.33%時的消力池流態(tài)圖，可見水流自溢洪道下泄后直接沖擊消力池尾坎。

圖4 消力池流態(tài)圖

通過采用取消消力池尾坎運(yùn)用邊墻擴(kuò)散將水流挑起等方式后的優(yōu)化方案即采用將樁號為溢0+158.192 m 處的底板和樁號為溢0+211.850 m 處的尾坎以斜坡的方式相銜接。P=3.33%時的消力池流態(tài)見圖5。因此可以將優(yōu)化后的方案作為推薦方案。

圖5 優(yōu)化方案三消力池流態(tài)圖

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 泄流能力

溢洪道全開Q=22.168H1.623，γ=0.999

溢洪道局開e=1 m（76 m3/s≤Q≤130 m3/s）：

Q=35.595H0.6231，γ=0.999

溢洪道局開e=2 m（140 m3/s≤Q≤224 m3/s）：

Q=59.16H0.6484，γ=0.9993

Q=68.509H0.7613，γ=0.9992

溢洪道局開e=4 m（336 m3/s≤Q≤399 m3/s）：

Q=99.103H0.6705，γ=0.9991

溢洪道局開e=5 m（455 m3/s≤Q≤492 m3/s）：

Q=178.19H0.4678，γ=0.9993

上式中：

Q——溢洪道下泄流量（m3/s）；

材料：桑葉采自甘肅省隴南徽縣泥陽，均為5月份的新葉，要求直徑在5cm左右的新鮮嫩葉；杜仲粉及甘草購自甘肅成縣旭東大藥房；碳酸氫鈉(食品級)、檸檬酸(食品級)、聚乙二醇(食品級)、木糖醇，濟(jì)南晟旺化工有限公司。

e——弧門開啟高度（弧門底緣高程-堰頂高程704.00）（m）；

H——堰上水頭，H=Z 上游水位-704.00（m）；

γ——曲線擬合相關(guān)系數(shù)。

上游水位與泄流能力關(guān)系曲線見圖6。

泄量試驗(yàn)表明：下泄P=0.1%洪水時，在壩前最高水位711.62 m 條件下，溢洪試驗(yàn)泄流能力為598.60 m3/s，比設(shè)計(jì)值大10.6%，泄流能力有較大的富余。

4.2 溢洪道進(jìn)口的水力學(xué)特性

當(dāng)閘門局部開啟時，進(jìn)水渠流態(tài)平穩(wěn)。特別是當(dāng)P=10%時，溢洪道進(jìn)口右側(cè)導(dǎo)墻未見有明顯的擾流，隨著下泄流量的增加右側(cè)導(dǎo)墻開始有擾流出現(xiàn)。當(dāng)P=2%時，右側(cè)溢洪道閘門上方有游離的間歇性漩渦出現(xiàn)，漩渦直徑1 m 左右。當(dāng)P=0.1%閘門全開時，溢洪道右側(cè)有明顯的擾流，但強(qiáng)度相對較弱且未惡化溢洪道流態(tài)。

4.3 溢洪道泄槽的水力學(xué)特性

4.3.1 流態(tài)和水面線

當(dāng)閘門局部開啟運(yùn)行時，溢洪道進(jìn)口右側(cè)有較輕微的擾流，水流流經(jīng)中墩墩尾時，在墩尾形成了明顯的水翅。由于水翅以及擾流的影響，溢洪道泄槽內(nèi)出現(xiàn)了菱形波，使得溢洪道樁號溢0+064.000 m～溢0+100.000 m范圍內(nèi)的水面有所波動。特別是在P=0.1%工況之下，由于右側(cè)導(dǎo)墻的擾流相對較大，且由于溢洪道反弧段的影響，導(dǎo)致溢洪道樁號0+064.000 m～溢0+100.000 m范圍內(nèi)水面波動較大，在樁號溢0+064.000 m 處右側(cè)邊墻水面線實(shí)測值為692.96 m，超過了設(shè)計(jì)邊墻高度692.77 m，設(shè)計(jì)時要引起注意。

4.3.2 流 速

溢洪道流速沿程增大，且隨著上游來水流量的增大而增大。實(shí)測到的溢洪道最大流速為P=0.1%時、樁號溢0+145.000 m 處的30 m/s，在溢洪道出口處實(shí)測到的最大流速為17.72 m/s。

4.3.3 壓 強(qiáng)

在溢流堰堰面處兩測點(diǎn)在P=10%、P=3.33%和P=2%工況之下出現(xiàn)了負(fù)壓，最大負(fù)壓值為-6.52 kPa。在溢洪道弧線段即測點(diǎn)P12～P18，壓強(qiáng)均為正壓，表示水流能夠貼著曲線段下泄，沒有出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。在泄槽段壓強(qiáng)也均為正壓，在溢洪道底板和尾坎銜接斜坡后測點(diǎn)，由于向心力的作用壓強(qiáng)升高，最大壓強(qiáng)為P=0.1%時的55.76 kPa。總體而言，溢洪道壓強(qiáng)分布正常。

4.4 下游河道的水力學(xué)特性

4.4.1 流態(tài)和流速

流經(jīng)溢洪道的水流經(jīng)溢洪道末端的反坡挑入至下游河道，且隨著下泄流量的增大，挑射距離也越大。當(dāng)P=10%時挑射距離約為28 m；P=3.33%時挑射距離約為33.5 m；P=0.1%時挑射距離約為48 m。

由于溢洪道中心線偏向左岸，從溢洪道下泄的水流主流偏向左岸，當(dāng)P=10%和P=3.33%時，水流未直接沖擊河道左岸岸坡，當(dāng)P=0.1%時水流沖擊導(dǎo)流洞出口處的岸坡。由于水流偏向左岸，左岸岸坡的流速較右岸岸坡的要大，且在水舌落點(diǎn)處的左右岸均形成了回流區(qū)，右岸的回流區(qū)范圍較左岸大。左岸岸坡樁號溢0+200.000 m～溢0+450.000 m 范圍內(nèi)水流的流速超過了岸坡的抗沖流速3～5 m/s，需要對此段進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

4.4.2 沖 刷

在各個工況之下，沖坑最深點(diǎn)基本位于河道中心線附近，P=10%時，沖坑最深為8.18 m，P=3.33%時沖坑最深為為8.64 m，P=2%時沖坑最深為9.17 m，P=0.1%時沖坑最深為12.05 m。沖坑最深點(diǎn)離消力池尾部基礎(chǔ)最小的距離為P=2%時的26.48 m，沖坑的后坡比均小于1∶3.0，因此可以保持穩(wěn)定。沖坑的位置位于河道中心線上，由于水舌落點(diǎn)處的左右岸兩側(cè)較為開闊，河道的兩側(cè)均形成了大的回流區(qū)，回流區(qū)的流速較小，未對河道岸坡產(chǎn)生較大的沖刷。當(dāng)P=3.33%時左岸岸坡的最大下切深度為1.76 m，右岸為1.13 m；當(dāng)P=0.1%時左岸岸坡的最大下切深度為4.37 m，右岸為3.53 m。見表4。

表4 下游河道沖坑深點(diǎn)位置

綜合下游河道流態(tài)以及沖刷情況看，為了確保兩岸邊坡的穩(wěn)定，應(yīng)對左岸岸坡樁號溢0+200.000 m～溢0+450.000m 范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。值得注意的是由于模型試驗(yàn)的邊界條件與實(shí)際情況有出入，該指標(biāo)僅供參考。

綜合分析，泄量試驗(yàn)表明：

1）下泄P=0.1%洪水時，在壩前最高水位711.62 m 條件下，溢洪試驗(yàn)泄流能力為598.60 m3/s，比設(shè)計(jì)值大10.6%。泄流能力有較大富余。

2）當(dāng)P=0.1%閘門全開時，溢洪道右側(cè)有明顯的擾流但強(qiáng)度相對較弱且未惡化溢洪道流態(tài)。在樁號溢0+064.000 m 處右側(cè)邊墻水面線實(shí)測值為692.96 m，超過了設(shè)計(jì)邊墻高度692.77 m，設(shè)計(jì)時要引起注意。

3）從溢洪道下泄的水流主流偏向左岸，當(dāng)P=10%和P=3.33%時，水流未直接沖擊河道左岸岸坡，當(dāng)P=0.1%時水流沖擊導(dǎo)流洞出口處的岸坡。左岸岸坡的流速較右岸岸坡的要大，P=3.33%時實(shí)測到左岸的最大流速為5.12 m/s，右岸的最大流速為0.61 m/s。左岸坡樁號溢0+200.000 m～溢0+450.000 m 范圍內(nèi)水流的流速超過了岸坡的抗沖流速3～5 m/s，需要對此段進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

4）各個工況之下，沖坑最深點(diǎn)基本位于河道中心線附近，P=3.33%時沖坑最深為8.64 m，P=0.1%時沖坑最深為12.05 m。各個工況沖坑的后坡比均小于1∶3.0，因此可以保持穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

通過水工模型試驗(yàn)進(jìn)行方案優(yōu)化及試驗(yàn)成果分析，認(rèn)為該溢洪道泄洪能力、抗水流沖刷能力及變形穩(wěn)定性都能夠滿足工程要求，依據(jù)試驗(yàn)成果對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮了限額設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，為類似工程的溢洪道設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。