貴州某水庫臺階溢洪道體型優化研究

孟云祥，孫 賀，杜振康，朱光明，閆秀秀

西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 咸陽 712100

與傳統光滑溢洪道相比，臺階溢洪道具有施工方便、工期短、消能率高等顯著優點[1]。國內外許多專家學者從不同角度出發對不同形式的臺階溢洪道及其水力特性進行了理論推導、模型試驗與數值模擬研究，取得了較為豐富的研究成果[2-4]。在實際工程中，臺階溢洪道前端摻氣坎形式對臺階水流流態影響較為明顯。基于此，文章以貴州某水庫臺階溢洪道為工程背景，從優化臺階與消力池內水流流態出發，重點對臺階前端摻氣坎進行體型優化調整，以期為實際工程提供合理體型。

1 工程概況

貴州某水庫大壩壩頂中部設泄洪表孔，為開敞式不設閘泄洪方式，壩高80m，其中堰頂高程為605m，共3孔，單孔寬11m，溢流凈寬33m。溢流堰型采用WES實用堰，曲線方程為y=0.149x1.85。采用臺階泄槽，臺階高度為2m，臺階坡比為1∶0.8，采用消力池消能方式，消力池寬度為35m，池長50m，尾坎高4.5m，體型參數如圖1所示。特征水位實測流量如表1所示。

圖1 臺階溢洪道體型參數詳圖（單位：m）

表1 水庫溢洪表孔特征水位實測流量表

2 模型布置

水工模型試驗按重力相似準則進行設計，按照試驗任務要求，模型為正態模型，采用比尺Lr=50。

模型試驗段制作范圍為上游庫區從壩頂軸線向上210m（模型4.2m），下游河道從消力池末端向下游300m（模型6.0m），再加上溢洪表孔長度約124.5m（模型2.49m），模型制作范圍總長約634.5m（模型12.7m）。

3 存在的問題及解決思路

基于水力學試驗流態觀測和數據量測后發現，該水庫工程溢洪表孔存在以下問題：（1）由于臺階起點沒有形成摻氣空腔和摻氣水舌，應該在臺階起點增加摻氣坎，實現臺階上段水流的摻氣，同時改善臺階起點水流流態；（2）針對小流量水舌直接沖擊臺階水平面形成平拋流態，導致的流態不佳甚至超出兩側邊墻的情況，應該對起始端臺階布置進行具體優化。

3.1 優化方案一

為了避免小流量在第一個臺階水流貼壁下泄，水流在臺階水平面挑射出流，形成平拋水流流態，試驗在溢流堰末端設置一個摻氣坎，目的是在第一個臺階跌坎位置形成一個通氣空腔，避免水流貼壁下泄產生不利流態。按照這一思路，試驗參考以往工程實際摻氣坎體型，并結合該工程體型特點，初步確定的摻氣坎修改一體型如圖2所示。其中，摻氣坎鉛直高0.20m，起點在溢流面切點位置，坎斜長3.32m。

圖2 優化方案一摻氣坎體型詳圖（單位：m）

優化方案一摻氣空腔流態如圖3所示。從圖3不難發現，校核洪水位工況沒有形成摻氣空腔，30年一遇工況基本處于臨界摻氣狀態，也就是空腔時有時無，并且空腔沒有在臺階貫通；5年一遇形成比較穩定的空腔。大流量沒有形成穩定暢通的摻氣空腔，摻氣坎必須進行再次修改。

圖3 優化方案一摻氣空腔流態圖

3.2 優化方案二

考慮到修改一在大流量時沒有實現摻氣坎的摻氣作用，并且在溢流堰開始泄流時的小流量依然出現水流在第一個臺階產生水平挑射水流現象，分析其原因有可能是挑坎的坡比與原堰面坡比接近，水舌沒有挑起來，也就是挑坎的斜長太長，水舌水流基本和沒有挑坎水流方向接近，因此修改二將按照傳統的挑坎坡比1∶10進行設計，體型如圖4所示，其中挑坎高為0.20m（鉛直0.32m），斜長2.01m。

圖4 優化方案二摻氣坎體型詳圖（單位：m）

優化方案二摻氣空腔流態如圖5所示，在校核洪水位、消能防沖水位和5年一遇水位均形成穩定的摻氣空腔，其中校核洪水位、消能防沖水位工況的摻氣水舌在第2個臺階位置與臺階相切。對小流量同樣進行了觀察，依然存在水舌直接沖到第二個臺階水平面形成水平挑射的水流現象。因此，試驗試圖通過將挑坎坡度再次變緩，讓水舌緊貼第一個臺階下泄，達到改善摻氣坎下游流態的目的。

圖5 優化方案二摻氣空腔流態圖

3.3 優化方案三

修改三是保持挑坎末端高度為0.20m（鉛直0.32m）不變，挑坎表面是向溢流面上游做切線，此時的挑坎斜長為3.65m，相當于挑坎坡比為1∶18.25，此坎比修改二放緩了接近一半，摻氣坎體型如圖6所示。

圖6 優化方案三摻氣坎體型詳圖（單位：m）

試驗觀察了3個不同工況的水舌流態和小流量工況下的臺階流態，其流態如圖7所示。流態基本和修改二接近，都可以形成穩定的通氣空腔，只是由于該體型坡比變緩，使得水舌落點略有下移，表現在校核洪水位由于水舌下壓，在第一個臺階的空腔回水水面略有抬高，但空腔依然穩定。其他工況和修改二基本變化不大。從以上修改過程來看，要改善水舌對臺階平面的沖擊，單單依靠調整摻氣坎體型還不夠，應該再對臺階高度進行必要的優化。

圖7 小流量臺階流態圖

3.4 優化方案四

由于臺階的不斷加密，使得摻氣空腔變小，為了確保空腔有充足的面積通氣，保證通氣暢通，試驗對摻氣坎高度進行了加高。摻氣坎修改四挑坎高變為0.30m（鉛直0.48m），起點為切點，斜長4.02m，以達到抬高水舌跳起高度，增加空腔面積的目的，摻氣坎體型如圖8所示。同時考慮到挑坎變高，水舌挑距增加，因此，模型將原設計的第4和第5個臺階也進行加密，從而保證臺階面水舌流態的順暢銜接。

圖8 優化方案四摻氣坎體型詳圖（單位：m）

通過試驗觀察發現，在泄洪運行各個工況以及小流量時，水流流態都比較理想，其通氣空腔穩定，通氣良好，可以作為推薦體型。

4 結論

文章通過水工模型試驗對貴州某水庫臺階溢洪道相關體型及水力學問題進行研究，得出以下結論：（1）合理確定摻氣坎尺寸可保證臺階起點形成穩定暢通的摻氣空腔和摻氣水舌；（2）針對臺階溢洪道在小流量運行工況下水舌沖擊臺階水平面斜拋，從而超出兩側邊墻的情況，通過縮小摻氣坎末端、臺階起點處的臺階尺寸，可有效降低水流跌落高度。