某水庫樞紐工程多級溢洪道模型試驗研究

柯騰騰

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 工程概況

高速下泄水流不僅對溢洪道沿線結構產生巨大沖擊，嚴重威脅溢洪道運行安全，同時也將沖擊下游河道，掏刷河床，影響河道內水流及河勢穩定。因此，在水工建筑物設計中，如何合理有效設計消能設施，在下泄過程中有效消耗水流能量是設計的重點與難點[1]。董榮[2]等采用底流水躍消能公式對下挖式消力池水力計算結果與數值三維模型分析、水工模型試驗等方法的成果吻合性較好。

某水庫樞紐工程位于貴州省黎平縣境內某河中游河段，某水庫工程任務為農田灌溉、人畜飲水。工程等別為Ⅲ等，規模為中型，水庫最大壩高58.5m，正常蓄水位603.00m，校核洪水位605.01m，總庫容1085萬m3，年設計供水量1462.9萬m3，溢洪道布置在水庫樞紐大壩右岸，為岸邊多級溢洪道，由進口引渠段、第一級控制段、1#泄槽段、第一級消力池、第二級控制段、2#泄槽段及第二級消力池等組成。水平樁號總長約230.87m，軸線方位角為NW82.8°。

進口引渠段長度44.80m，底板高程597.0m。第一級控制段長度10m，堰型采用WES實用堰型式，堰高3.0m，堰面曲線為：Y=0.154X1.85，堰頂高程為600.0m，控制段設3扇3m×3m平板工作閘門，每孔凈寬3.0m，1#泄槽長度37.54m，坡降1∶1.26，斷面為矩形，底寬13.0m，邊墻凈高8.95～3.5m，末端通過反弧段接第一級消力池，反弧半徑15.0m。第一級消力池長53.54m，底板高程567.00m，水流方向長53.54m，底寬13m，側墻高9m。第二級控制端長10m，設置WES實用堰，堰高2.0m，堰面曲線為：Y=0.154X1.85，堰頂高程569.00m。2#泄槽長42.69m，坡降1∶1.8，斷面為矩形，底寬13.0m，兩側邊墻凈高3.5m，末端通過反弧段接第二級消力池，反弧半徑15.0m。第二級消力池長30.5m，底板高程543.00m，水流方向長29.5m，底寬13m，邊墻高8.0m。

本文采用物理模型試驗對泄水建筑物體型進行了可行性分析和試驗驗證，為設計優化提供科學合理建議[3]。

2 溢洪道試驗模型設計

模型試驗的目的是驗證溢洪道布置合理性，優化兩級消力池結構布置設計，改善水力特性及下游河床沖刷情況。試驗模型按照重力相似準則來進行模型設計，設計方案幾何比尺選定為1∶30，溢洪道試驗模型按照設計資料尺寸，嚴格按照幾何相似縮小制作。模型試驗工況及相關數據詳見表1。

表1 模型試驗工況及相關數據

圖1 某水庫原設計方案溢洪道縱斷面設計圖(單位：m)

3 溢洪道模型試驗分析

3.1 原設計方案試驗

3.1.1閘孔中墩墩后水冠

原設計方案閘孔中墩采用R=1m半圓形尾墩，在常規洪水工況下，墩后形成較高的水冠，最大高度約4m，設計、校核洪水位工況下，水冠最大高度約3m。

3.1.2第一級消力池流態

溢洪道模型下泄校核洪水位對于流量后，水流在第一級消力池內不形成水躍，水流直接沖擊第二級溢流堰，翻越至第二級消力池內。水流流態紊亂無規律。

模型試驗結果表明，溢洪道布置不合理，未達到預期設計效果，需進行方案修改，修改方案后再進行試驗。

3.2 修改方案試驗

3.2.1閘孔中墩設計優化

郭瑾瑜等[4]采用物理模型試驗進行驗證，得出增設斜尾墩能夠較好地解決溢洪道中墩水翅問題。故本次修改方案將半圓形尾墩調整為直線形尾墩，觀測結果表明水冠高度降低，降至1m左右，滿足要求。

3.2.2溢洪道體型優化試驗

(1)增設輔助消能工。本次修改方案在第一級消力池內增設消力墩，期待水流流態穩定，在第一級消力池內形成水躍。消力墩布置如圖2所示。

圖2 消力墩布置示意圖(單位：m)

觀測成果表明，當溢洪道下泄校核洪水對應流量時，水流對第二級溢流堰沖擊力增強，碰撞躍起水流翻越兩側邊墻，水流范圍延伸至2#泄槽，裂散水體濺擊消力池邊墻及溢洪道邊坡程度加劇。

(2)加糙條。本次修改方案嘗試在1#泄槽段加糙條，期待改善第一級消力池內不良水流流態。加糙條布置如圖3所示。

圖3 加糙條布置示意圖(單位：m)

觀測成果表明，當溢洪道下泄校核洪水流量時，1#泄槽下泄水流自第一排加糙條開始形成一定程度水翅，加糙段及其下游泄槽內水流流態更加嚴重，進入第一級消力池內水流水深變化不大，仍未形成水躍。

(3)第二級溢流堰加高至4m方案。本次修改方案將第二級溢流堰進行加高至4m，期望第一級消力池內形成穩定水躍。第二級溢流堰體型加高如圖4所示。

圖4 第二級溢流堰體型加高(單位：m)

觀測成果表明，當溢洪道下泄常規至設計洪水流量時，第一級消力池內水流形成水躍，水躍起始位置隨下泄流量增加，逐漸由第一級消力池前段至第一級消力池中部。其中，在中小流量工況下，第一級消力池內能形成穩定水躍，在校核洪水流量下，第一級消力池內水躍未完全形成，水流沖擊第二級溢流頭，引起2#泄槽內水面波動幅度較大。加大到4m方案不能使各級工況下都能形成穩定水躍。

(4)第二級溢流堰加高至5m方案。本次修改方案將第二級溢流堰進行加高到5m，期望第一級消力池內形成穩定水躍。

觀測成果表明，各種工況下都能形成穩定水躍。

3.2.3推薦方案結論

根據修改方案試驗模型，推薦方案為加高堰高至5m，觀測成果表明，在各種工況下，第一級消力池內均可形成穩定的水躍，在校核洪水工況下，存在局部水流越過消力池邊墻的現象。第一級消力池邊墻進行適當加高，加高至582.00m。溢洪道縱斷面圖如圖5所示。

圖5 推薦方案溢洪道縱斷面

3.2.4推薦方案模型試驗

(1)泄流能力。試驗結果表明，隨著庫水位從602.13m升至605.05m，溢洪道泄流量由49.0m3/s增至210.9m3/s，相應流量系數由0.361增到0.424。在設計洪水位603.58m、校核洪水位605.01m條件下，表孔泄流量試驗值分別為122.5和208.4m3/s，較設計值分別變化-2.02%和0.66%。當溢洪道下泄設計(143m3/s)、校核洪水(207m3/s)時，庫水位分別為603.63和604.99m。溢洪道泄流能力滿足基本設計要求。泄流能力成果見表2。

表2 泄洪表孔泄流能力

(2)流態。工況1(校核洪水)～工況3(消能防沖洪水)條件下，溢洪道上游引渠內流速緩慢，水流平順，呈水庫型水流特性；閘孔進口兩側無明顯繞流，孔內水流較平順，未見折沖水流，但由于受到中墩及門槽局部繞流影響，孔內有較弱沖擊波形成；閘孔下泄水流匯合后，在直線型墩尾后形成較弱水翅，其最大高度達2m，1#泄槽內水面均未超出兩側邊墻。第一級消力池內形成穩定水躍，水躍起始位置隨下泄流量增加，逐漸由反弧段首部下移至中部，水流行至堰前時，水面已漸趨穩定。第二級溢流堰及下游泄槽內，水流較為平順，無明顯沖擊波形成；第二級消力池內可形成穩定水躍。

(3)水面線。試驗成果表明，閘孔內水面較平順，未見水流沖擊弧門支鉸；下泄水流于中墩后形成較弱水翅，引起泄槽內形成一定程度沖擊波；1#泄槽內水深沿程減小，最大水深位于陡坡起始斷面(樁號0+13.95m)附近，最大水深為1.20～0.84m；第一級消力池內水深沿程增大，水面未超出兩側邊墻，且后半段水面已漸趨平穩，第二級溢流堰堰前水深約為9.0～7.5m(樁號0+94.34m)；第二級溢流堰附近范圍水面平順，其下游泄槽內水深沿程減小，最大水深位于陡坡起始斷面(樁號0+111.91m)附近，最大水深為1.76～1.05m；二級消力池內水面高程沿程增大，校核洪水工況下，消力池中后部水面已略超出邊墻頂部高程(551.0m)。

試驗對工況1～工況3下2#閘孔左側及泄槽左側邊墻水面高程進行了測量，試驗成果見表3。

表3 溢洪道沿程水面高程值表 單位：m

(4)時均壓力。鑒于本工程溢洪道中兩級溢流堰堰面曲線型式一致，且1#泄槽落差大、坡度陡，本試驗僅針對一級溢流堰至第一級消力池末端范圍溢洪道底板中心沿程布置時均壓力測點17個，各工況下時均壓力測試值詳見表4。

試驗成果表明，壩頂附近及WES堰面曲線壩面前段為低壓范圍(5#～8#測點間)，各試驗工況下均無負壓出現，最小壓力約為0.07×9.81kPa(8#測點)，位于WES曲線末端。泄槽緩坡段底部中心壓力先降后升，且壓力變化規律為隨下泄流量增大而升高，最小壓力約為0.61×9.81～0.31×9.81kPa。由于第一級消力池內水躍位置隨下泄流量增大略有下移，反弧段內壓力變化規律為隨下泄流量增大而降低，反弧段末壓力值為2.24×9.81～4.31×9.81kPa。第一級消力池內壓力沿程逐漸升高，至消力池末端，壓力值為8.39×9.81～7.64×9.81kPa。

表孔WES堰面曲線段、1#泄槽及消力池均未出現負壓區，其最小壓力值為0.07×9.81kPa，滿足規范要求，表孔溢流面及泄槽底板壓力分布正常，體型基本合理。

4 結論

針對本工程多級溢洪道設計，借助物理模型試驗研究驗證，分析溢洪道消能效果，得出原設計方案不合理；最終采取增加第二級溢流堰高度，加大第一級消力池池內水深的修改方案，試驗成果表明：各種工況溢洪道水流流態穩定，水面線基本歸束在消力池內，未超過兩側邊墻，表孔溢流面及泄槽底板壓力分布正常；方案調整后溢洪道布置形式及體型基本合理；后期在實際運行過程中，做好監測工作，及時記錄相關水位，讓理論設計與實際更加匹配，本次模型試驗可為本工程溢洪道優化設計提供科學依據。同時也為類似工程多級溢洪道設計具有一定的參考指導意義。