黑石羅水庫溢洪道水力計算分析研究

肖對勇

(昭通市水利水電勘測設計研究院， 云南 昭通 657000)

1 工程概況

黑石羅水庫位于昭通市昭陽區(qū)西北部蘇甲鄉(xiāng)，屬金沙江水系灑漁河左岸一級支流冷水河中下游，距離昭通市城區(qū)41km。主要任務是解決昭陽區(qū)、永善縣冷水河、灑漁河兩岸集鎮(zhèn)和農(nóng)村人畜生活供水及農(nóng)業(yè)灌溉供水，同時水庫建成后對減輕冷水河、灑漁河沿岸村鎮(zhèn)和農(nóng)田洪水危害有一定的作用。

水庫最大壩高78.70m，樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪(導流)隧洞、及輸水隧洞等組成。工程區(qū)河流兩岸坡地形陡竣，大部分基巖裸露，基巖為三迭系下統(tǒng)飛仙關組暗紫色薄-中厚層狀粉、細砂巖夾薄層泥巖，第四系覆蓋薄，巖層傾角平緩，傾角5°～11°，巖體強風化下限2～8m，無對邊坡穩(wěn)定不利的結構面組合，穩(wěn)定性較好。

2 工程布置

本工程溢洪道型式為河岸開敞式有閘控制，位于右壩肩，總長323.99m(平距)，包括進口段、控制段、泄槽段、出口消能段。進口段(0-035.000～0+000.000)底坡i=-1/100，進口底板高程2040.15m；控制段長16.25m，堰型為WES實用堰，堰頂高程2043.00m(汛限水位)，溢流凈寬8.00m，堰頂設8.00m×6.00m弧形鋼閘門1道，采用液壓式啟閉機(型號QHLY-2×630kN)進行啟閉。泄槽段總長272.74m：堰后緊接收縮段(0+016.25～0+046.25)，底寬由8.00m收縮為6.00m(收縮段長30.00m，收縮角1.9°)，底坡i=0.125；第一泄槽段為洞室結構，長163.75m，底寬6.00m，底坡i=0.125；第二泄槽段為明槽結構，長38.294m，底坡i=0.512，底寬6.00m；泄水陡槽變坡處采用拋物線連接，拋物線段長22.224m，底寬6.00m。出口采用挑流消能，長度18.472m，寬度6.00m，鼻坎頂部高程1987.234m，反弧半徑23.15m，挑角20°。挑流鼻坎下游接長度15.00m的護坦。

3 水力計算分析

根據(jù)工程規(guī)模調洪演算成果，溢洪道堰頂高程2043.000m，寬8m，設弧形閘門一道控制堰頂水位；水庫總庫容4992.10萬m3，正常蓄水位2048.50m；設計洪水位(P=2%)2047.90m(主汛期)，溢洪道設計下泄流量159.30m3/s；校核洪水位(P=0.1%)2050.85m，溢洪道最大下泄流量338.60m3/s。下游消能防沖洪水標準為30年一遇(P=3.33%)，溢洪道相應下泄流量131.70m3/s。本工程的水力計算主要從3個方面進行。

3.1 泄流能力計算

本工程溢洪道堰型采用WES實用堰型，按泄流能力公式進行計算：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；B—溢流堰總凈寬，m；

H0—計入行近流速水頭的堰上總水頭，m；g—重力加速度，取9.81m/s2；m—二維水流實用堰流量系數(shù)，由SL 253—2018《溢洪道設計規(guī)范》表A.2.1-1查得；ε—閘墩側收縮系數(shù)。

其中，

(2)

式中，b—單孔寬度，m；n—閘孔數(shù)目；ζ0、ζK—中墩、邊墩形狀系數(shù)由SL 253—2018表A.2.1-3查得；c—上游堰坡影響系數(shù)，當堰面垂直時，c=1.0，為斜面時，由SL 253—2018表A.2.1-2查得；σs—淹沒系數(shù)，由SL 253—2018 A.2.1-3圖查得。

經(jīng)計算，結果見表1。

表1 黑石羅水庫溢洪道泄流能力計算成果表

從表1可知：①設計洪水位時，堰上水頭為H=4.90m，考慮進口局部水頭損失，綜合流量系數(shù)取m=0.429，過流能力Q=164.80m3/s，大于設計下泄流量159.3m3/s，滿足要求。②校核洪水位時，堰上水頭為H=7.85m，考慮進口局部水頭損失，綜合流量系數(shù)取m=0.435，過流能力Q=338.85m3/s，大于校核下泄流量338.6m3/s，滿足要求。

3.2 水面線計算

水面線按能量方程式分段求和法推算，計算采用校核水位為控制水位，因泄槽上游接實用堰，起始計算斷面擬定在堰后反弧段末端。計算公式如下：

(3)

其中，

(4)

泄槽段水流摻氣水深按下式計算：

(5)

式中，h、hb—泄槽計算斷面的水深及摻氣水深，m；v—不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速，m/s；ζ—修正系數(shù)，取值為1.40。

經(jīng)計算，泄槽段水面線計算結果見表2—4。

表2 泄槽設計水面線推算成果表

表3 泄槽校核水面線推算成果表

表4 泄槽水面線推算成果匯總表

由表2—4可確定泄槽側墻高度，按校核洪水計算水面線考慮波動和摻氣后加安全超高確定，安全超高值取1.5m，因此，確定泄槽側墻最高處取7.0m，最低處取4.5m。

3.3 挑流消能計算

挑流消能按設計洪水進行計算。挑距計算公式如下：

(6)

式中，L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床面的挑流水舌外緣長度，m;V1—鼻坎頂水面流速，m/s，以鼻坎頂水面平均流速v的1.1倍計;θ—鼻坎挑射角度，θ=20°;h1—挑流鼻坎末端法向水深;m;h2—鼻坎末端至河床表面高差，m。

沖刷坑深度計算公式如下：

T=kq1/2Z1/4

(7)

式中，k—沖坑系數(shù)，取1.0；T—水墊厚度，自水面算至坑底；q—單寬流量；Z—上、下游水位差，取65.9m。

經(jīng)式(6)—(7)計算，挑距L=58.51m，沖刷坑深度T=14.68m。

4 模型試驗復核

4.1 目的及內容

(1)通過試驗研究，驗證溢洪道的布置設計、結構體型及尺寸是否合理、可行，發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，并對原設計方案進行優(yōu)化，在確保工程安全的情況下，力求設計技術方案合理，工程造價最省。

(2)研究閘門不同開度情況下，溢洪道的泄流能力，分析得到原設計體型下的溢洪道水位-流量關系曲線；研究下泄各特征流量時，溢洪道控制段實用堰是否產(chǎn)生負壓，并評價其影響。

(3)研究溢洪道進口段、控制段、泄槽段流速分布及沿程水面線及壓力分布，發(fā)現(xiàn)負壓產(chǎn)生的可能位置，評價空蝕破壞發(fā)生的可能性。

(4)研究溢洪道下泄各特征流量時，溢洪道出口挑射水流的形態(tài)、挑距及30年一遇防沖流量時的沖坑形態(tài)，評價挑流對溢洪道及相鄰建筑物的影響；研究溢洪道的小流量挑射，評價貼坎水流的淘刷影響。

4.2 模型設計制作及試驗方法

(1)模型按重力相似準則設計，采用正態(tài)模型。經(jīng)計算比較模型最終選用比尺為λL=40，相應比尺參數(shù)：流量比尺λQ=λL5/2=10119，時間比尺λT=λL1/2=6.325，流速比尺λV=λL1/2=6.325，糙率比尺λn=λL1/6=1.849。

(2)溢洪道出口下游地形從反弧段開始，主要采用沖料鋪填，局部為水泥硬模。溢洪道進口段、控制段、陡槽段及出口消能段，根據(jù)設計的體型尺寸，用有機玻璃制作，其糙率滿足試驗要求(有機玻璃糙率n為0.007～0.009，混凝土糙率n為0.014～0.017，原型與模型糙率比為1.56～2.43)。

(3)流量測定采用三角形量水堰進行，其原理是通過量水測針測出量水堰堰頂水深值(其精度可達0.1mm)，通過堰頂水頭與流量之間的相關關系，計算得到各工況下的相應流量。流速采用OA型直讀式多功能測速儀對溢洪道各測試斷面進行測定。在溢洪道進口段、控制段、泄槽段、出口挑流段等處共計布設13個測壓孔，通過測壓管對各點進行壓力測定。

4.3 試驗成果及分析

4.3.1泄流能力

溢洪道閘門全開，泄流為自由出流時，測得其泄流能力見表5。

表5 閘門全開時溢洪道水位-流量關系表

試驗中，對溢洪道進口段進行觀測：受來流方向影響，溢洪道進口主流偏于右側，致使里程0-035.000右側邊墻位置出現(xiàn)局部水面跌落(水面高差0.20m)，繼而回升現(xiàn)象。受此影響，溢洪道控制段WES實用堰堰頂橫斷面水深分布呈左大右小，見表6，對下游流態(tài)乃至出口消能有一定影響。隨溢洪道下泄流量的增加，上述水流特征更加明顯。

表6 控制段堰頂橫斷面(0+003.152)水深分布表

根據(jù)自由泄流測試，測得溢洪道控制段WES實用堰的流量系數(shù)m介于0.319～0.445之間。盡管在設計流量情況下，試驗得到的水庫水位和原設計洪水位(2047.90m)相比高出0.267m，但溢洪道下泄流量(175.97m3/s)明顯大于設計要求的159.30m3/s。校核流量情況下，試驗得到的水庫水位低于原校核洪水位(2050.85m)0.248m，說明溢洪道泄流能力基本能夠滿足設計要求。溢洪道水位-流量關系曲線如圖1所示。

圖1 溢洪道水位-流量關系曲線

閘門在不同開度時，溢洪道泄流能力見表7。

表7 不同閘門開度時溢洪道水位-流量關系表

黑石羅水庫的防洪調度，在主汛期采用閘門全開，自由泄流；后汛期則需要控制閘門開度，溢洪道的具體操作運用，依據(jù)試驗研究所提供的溢洪道水位-流量關系成果進行。

4.3.2流態(tài)研究

模型試驗后，經(jīng)分析，設計洪水流量下(P=2%)，溢洪道進口水流總體較為平順。受來流方向影響，在溢洪道進口0-035.000右側邊墻位置處產(chǎn)生水面跌落(最大水面跌落差0.20m)，之后水面回升。受此影響，水流進入控制段后，橫斷面水深分布不太均勻：左側堰面水深高于右側堰面，對下游流態(tài)及出口消能形成一定影響。水流進入收縮段后，受邊墻偏轉的影響，自里程0+016.25開始產(chǎn)生較為明顯的沖擊波，并向下游傳播；在泄槽拋物線段，沖擊波已不明顯；水流進入第二泄槽段后，由于底坡較陡(i=0.512)，下泄水流雖仍受沖擊波影響，但水流總體上較為平順。

校核洪水流量下(P=0.1%)，溢洪道進口水流總體較為平順。受來流方向影響，在溢洪道進口0-035.000右側邊墻位置處產(chǎn)生水面跌落(最大水面跌落差0.25m)，之后水面回升。受此影響，水流進入控制段后，橫斷面水深分布不太均勻：左側堰面水深明顯高于右側堰面，對下游流態(tài)及出口消能形成一定影響。水流進入收縮段后，受邊墻偏轉的影響，自里程0+016.25開始產(chǎn)生明顯的菱形沖擊波，并向下游傳播，但未發(fā)現(xiàn)水流翻越邊墻現(xiàn)象；在泄槽拋物線段，仍然可以觀察到?jīng)_擊波，但不太明顯；水流進入第二泄槽段后，由于底坡較陡(i=0.512)，下泄水流雖仍受沖擊波影響，但水流總體上較為平順。

4.3.3壓力分布和空穴數(shù)

溢洪道布設了13個測點，用以研究泄流時的壓力分布和空穴數(shù)，以設計洪水為代表，結果見表8。

表8 Q=175.97m3/s溢洪道水力要素表(P=2%)

由表8可知，在設計流量情況下，出現(xiàn)堰頂臨底流速大于斷面水深所對應的平均流速現(xiàn)象。分析其原因在于水流流經(jīng)控制段堰頂時，由于底部邊界變化明顯，水流受離心力影響加大，致使此處的壓力水頭值變化明顯。溢洪道出口挑流鼻坎處出現(xiàn)負壓，空穴數(shù)已低于0.3，里程0+232.224拋物線末端至挑流鼻坎段空穴數(shù)接近0.3；表明從里程0+210.000拋物線始端至挑流鼻坎段應采取相應的空蝕控制措施。

4.4 挑流水舌及下游沖刷研究

4.4.1水舌形態(tài)

校核洪水流量下(P=0.1%)，溢洪道水舌高度超過設計護坦高程5.68m(水舌厚度4.8～6.0m)，水上最大挑距近75m，水舌平面上呈擴散狀，入水寬度由鼻坎處的6.00m擴散至12.00m。

設計洪水流量下(P=2.0%)，溢洪道水舌高度超過設計護坦高程7.43m(水舌厚度3.2～3.6m)，水上最大挑距近70m，水舌平面上略呈擴散狀，入水寬度由鼻坎處的6.00m擴散至9.60m。

30年一遇消能防沖洪水流量下(P=3.33%)，溢洪道水舌高度超過設計護坦高程7.40m(水舌厚度3.2～3.6m)，水上最大挑距近67m，水舌平面上略呈擴散狀，入水寬度由鼻坎處的6.00m擴散至8.80m。

根據(jù)水工模型試驗，測得溢洪道起挑流量為12.30m3/s，相應挑距為22.40m，水舌入水寬度3.0m；溢洪道終挑流量為7.60m3/s，相應挑距為17.60m，水舌入水寬度2.70m。設計所采用的護坦長度基本可行。分析水舌寬度減小的原因，在于受上游來流影響，溢洪道出口主流靠近左側，致使右側出坎水流向左側集中。

4.4.2沖刷試驗

30年一遇防沖流量情況下，沖砂歷時4h，沖坑內均已無沖料沖出，沖坑形態(tài)穩(wěn)定：溢洪道沖坑距挑流鼻坎60m，近似呈橢圓形，最大縱長20m，最大橫寬12m，沖坑最深處4.0m。下游沖坑型態(tài)均明顯小于試驗前計算分析的結果。根據(jù)沖刷試驗推知：本次沖坑所選沖料，其采用的抗沖流速適中，挑流鼻坎下游實際沖坑深度基本滿足要求。

4.5 模型試驗結論

(1)溢洪道(閘門半開)泄放設計流量Q溢=175.97m3/s時，水庫水位模型實測值略大于理論計算值(0.267m)，但溢洪道(閘門全開)泄放校核流量Q溢=330.68m3/s時，水庫水位模型實測值小于理論計算值0.248m，表明溢洪道的泄流能力基本滿足設計要求。

(2)從收縮段始端開始，直至拋物線段，陡槽內均產(chǎn)生較為明顯的沖擊波。但由于溢洪道長度較短，加之陡槽縱坡較大，收縮段所產(chǎn)生的沖擊波對下游水流的流態(tài)未造成太大影響。

(3)溢洪道拋物線段至反弧段，空穴數(shù)已較低，應采取氣蝕控制措施。

(4)消能防沖設計流量下，溢洪道經(jīng)挑流鼻坎下泄的水流均可順利歸入下游河道，且未發(fā)現(xiàn)泄流互相干擾。

5 結語

根據(jù)模型試驗結論，在后續(xù)的設計中對溢洪道局部部位進行了優(yōu)化，增設了氣蝕控制措施，增加了溢流面的抗沖耐磨性，對出口挑流鼻坎進行了體型優(yōu)化。目前本工程已運行3年多，工況良好，類似工程具有很好的借鑒意義。