四方井水庫溢洪道優化設計

摘要：

為了解決四方井水庫溢洪道直線型進水渠導墻內水流流態紊亂，泄流能力不滿足設計要求，同時當設計及以上洪水下泄時，消力池尺寸不足，消能不充分的問題，采用1∶50水工模型試驗對溢洪道進水渠導墻型式和消力池尺寸進行了優化研究，分析了進水渠內水流流態、流速分布、泄流能力及消力池消能效果。結果表明：采用“直線+圓弧”的進水渠導墻型式，可有效改善進水渠內水流流態、流速分布，顯著提高溢洪道泄流能力；增大消力池尺寸后，消力池消能率提升了6%～9%，出池水流更加平穩。研究成果可為類似工程溢洪道設計提供參考。

關鍵詞：

溢洪道； 進水渠； 泄流消能； 流速不均勻系數； 水工模型試驗

中圖法分類號：TV651.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.014

文章編號：1006-0081（2025）02-0078-04

0 引 言

溢洪道一般包括進口段、控制段、泄槽、消力池和出水渠等。進口段的引水渠起著引導水流平順進入閘室的作用，直接影響到溢洪道泄流的水力特性，是溢洪道的重要組成部分［1］。實際工程表明，溢洪道進口導墻型式不佳將導致引水渠內水流紊亂，進而降低溢洪道的行洪能力［2-4］。消力池作為泄水建筑物下游的消能設施，其體型大小直接影響泄水建筑下游水流流態、消能效果，及下游建筑物的安全。

目前，眾多學者對溢洪道引水渠導墻型式的設計做了大量探索。包明金等［2］針對重慶某水電站的溢洪道引水渠導墻型式做了大量試驗，提出導墻型式采用兩段圓弧+直線調整段能使水流流態平順并滿足泄流要求；杜妍平等［5］通過兩河口水電站模型試驗，認為采用雙圓弧+橢圓+直線型式的導墻很好改善了水流流態，溢洪道入口水流基本對稱；周蘇芬等［6］提出采用黃金分割比橢圓曲線+直線導墻型式改善溢洪道進水渠流態，提高了泄流能力；劉俊華等［7］通過在進水池內設置導流孔，有效改善了進水池內水流流態，降低了進水池內水流流速；黃紅飛等［8］通過左右分區采用不同的底流消能型式，消能防沖效果好；任廣超［9］通過增加消力池尾坎高度和增設輔助消能工，有效改善了消力池內水流流態，同時滿足消能要求；張銘等［10］通過水工物理模型和數值模擬對新疆阿爾塔什水利樞紐工程的消力池進行了體型優化研究，通過降低消力池底板及尾渠高程，增大了消力池尺寸，有效提高了消力池的消能率，消力池出池水流流速減小、流態平穩。

本文通過溢洪道水工模型試驗對四方井水庫溢洪道進水渠導墻型式及消力池尺寸進行了優化研究，可為類似工程溢洪道設計提供參考。

1 工程概況

四方井水庫溢洪道位于大壩右岸埡口處，為開挖式岸邊溢洪道，進水渠順水流方向長53.0 m，渠底高程144.50 m，斷面形式為矩形，底寬35.0 m，兩側采用衡重式擋墻，底坡坡度i=0；控制段順水流方向長25.5 m，為3孔，每孔凈寬10.0 m，溢流堰采用WES實用堰，堰頂高程146.30 m，堰面曲線為y=0.126 8x1.81，與1∶0.8 的直線相切，反弧段半徑為5 m，末端與泄槽底板相接，閘頂高程157.0 m，采用弧形閘門控制泄流。

泄槽段長為180.0 m，泄槽從閘室往下游20 m為漸變段，寬度由35 m漸變至34 m，之后寬均為34 m，分兩級泄流。消能工段采用底流消能形式，消力池長度為45.0 m，深5.0 m，消力池后接海漫段，長20.0 m，海漫段后接出水渠至老河床，見圖1。

選取校核流量1 317 m3/s、設計流量1 110 m3/s、30 a一遇消能防沖流量550 m3/s為試驗工況，水庫校核洪水位154.38 m，設計洪水位153.93 m，正常蓄水位152.00 m，見圖2。

2 模型設計及量測儀器設備

2.1 模型設計

模型按照重力相似準則設計［11］，采用正態模型，長度比尺為1∶50，糙率比尺為1∶1.92。溢洪道模型由有機玻璃制作，有機玻璃的糙率為0.008～0.010，一般混凝土表面糙率為0.014～0.016，基本滿足糙率相似原則。

郝昌言 等

四方井水庫溢洪道優化設計

2.2 模型范圍

模型模擬溢洪道進口前沿庫區、溢洪道及下游1 500 m的范圍，上游庫區模型制作地形最高高程為160 m，下游河道模型制作地形最高高程為120 m。

2.3 量測儀器設備

模型供水系統由動力泵房、控制閥、配水管、前池和回水渠等組成，試驗主要儀器參數見表1。

3 設計方案試驗成果分析

3.1 進水渠水流流態

進水渠導墻為直線型，且導墻高程往上游逐級降低，水流翻過導墻后進入進水渠產生不對稱渦流，水流較紊亂，進入閘室不暢，降低了溢洪道的泄洪能力。

3.2 敞泄過流能力

溢洪道敞泄過流能力結果見表2。可以看出，設計工況試驗庫水位為153.41 m，比設計值（153.93 m）低0.52 m。消能工況試驗庫水位為150.77 m，比設計值152.00 m低1.23 m。校核工況試驗水位為154.44 m，比設計值（154.42 m）高0.02 m，泄流能力不滿足要求。

3.3 消能效果

模型試驗觀測結果顯示，當下泄流量較小時，消力池內形成了穩定完整的淹沒水躍，在消力池出口水流較平穩，當下泄流量增大到1 110 m3/s時，水流在消力池內不能形成淹沒底流消能流態，發生明顯的遠驅水流流態，同時水躍不能完全發生在消力池內，消力池尺寸不足。

為解決溢洪道進水渠水流紊亂，從而導致泄流能力不夠，同時在遭遇設計洪水及以上洪水時消力池長度不夠、消能不充分等問題，需要通過模型試驗對設計方案進行優化研究。

4 優化方案

4.1 進水渠導墻優化

根據SL 235-2018《溢洪道設計規范》，進水渠進口導墻通常采用對稱的喇叭口結構型式。因此本次優化將設計方案的直線型導墻改成對稱的喇叭型結構，同時為了避免水流從導墻頂部翻過導墻造成進水渠內流態的紊亂，將導墻高程均改成157.00 m，具體方案見表3，優化方案平面布置見圖3。

4.2 消力池優化

試驗擬通過增加消力池尺寸來解決消能不充分的問題，具體方案為消力池長度由原來的45.0 m增加到70.0 m，消力池深度由5.0 m增加至6.5 m。

5 優化方案試驗成果分析

5.1 水流流態

原方案進水渠水流流態紊亂，靠近兩側擋墻位置出現不對稱渦流；優化方案1渦流現象明顯減弱，只在導墻頭部位置還存在局部渦流現象；優化方案2的渦流現象基本消失，水流進入閘室平穩，各方案水流流態見圖4。

5.2 斷面流速不均勻系數

進水渠內流態越平穩，斷面流速分布越均勻，通過進水渠斷面流速分布不均勻系數α來表征導墻優化效果，不均勻系數越大，表示流速分布越不均勻，優化效果越差。

α=Vmax-VminVmax

（1）

式中：Vmax為斷面最大水流流速;

Vmin為斷面最小水流流速。

試驗主要測量了校核工況下進水渠3個斷面的流速不均勻系數，測量斷面及測量點見圖5。表4為校核工況各方案不同斷面的流速不均勻系數，可以看出，優化方案1和優化方案2的斷面流速不均勻系數較原方案有明顯降低，說明2種優化方案很好地改善了進水渠水流流速分布，其中優化方案2流速不均勻系數較方案1小，優化效果更好。

5.3 敞泄過流能力

試驗對比了各方案的敞泄過流能力，結果見表5，可以看出，優化方案1和方案2的泄流能力均滿足設計要求；相比原方案，2種優化方案各工況下的庫水位均較原方案有所降低，說明2種優化方案均有效提高了溢洪道泄流能力，其中優化方案2較方案1降低更明顯。

5.4 消能效果

消力池尺寸增大后，在小流量條件下消力池內水流流態變化不明顯，當流量增大到1 110 m3/s后，消力池內基本能形成淹沒底流消能流態，水躍完全發生在消力池內，流態見圖6。

通過計算消能率來分析消力池優化前后的優化效果，消能率η計算公式如下：

η=ΔEE1=E1-E2E1（2）

E1=h1+a+Q22gA21（3）

E2=h2+Q22gA22（4）

式中：

h1，A1分別為躍前斷面水深和斷面面積；

h2，A2分別為出口斷面水深和斷面面積；

E1為躍前斷面水流總能量;

E2為出口斷面水流總能量；

a為躍前、出口的高程差值。

原方案與優化方案的消力池消能率見表6，由表6

可知，消力池尺寸增加后，消力池內水深增加，水流在

消力池內的紊動剪切運動更加充分，消力池消能率較原方案提高了6%～9%，出消力池水流波動減弱。

6 結 論

針對四方井水庫溢洪道進水渠內水流紊亂、泄流能力不滿足設計要求，同時在遭遇大洪水時消力池長度不夠、消能不充分等問題，本文通過對進水渠導墻型式和消力池尺寸進行優化試驗，可得到以下結論。

（1） 進水渠導墻型式采用“直線型+圓弧型”結構，可有效改善進水渠內水流流態，顯著提高溢洪道泄流能力。

（2） 增加消力池尺寸后，可使消力池的消能率明顯提高，出消力池水流更加平穩。

參考文獻：

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［11］ 水利水電科學研究院.水工模型試驗［M］.北京：中國水利水電出版社，1985.

（編輯：李 晗）

Optimal design of Sifangjing reservoir spillway

HAO Changyan1，ZHOU Qingyong2，ZHOU Xiaozi1

（1.Shangrao State-controlled Water Conservancy and Hydropower Engineering Construction Supervision Co.，Ltd.，Shangrao 334000，China；

2.Jiangxi Academy of Water Science and Engineering，Nanchang 330029，China）

Abstract： In order to solve the water flow disorder in the spillway straight line inlet channel guide wall of Sifangjing water conservancy project，the discharge capacity does not meet the design requirements，and the size of the stilling pool is insufficient and the energy dissipation is insufficient when the current discharge design and above floods，we used the method of 1∶50 hydraulic model test，the type of guide wall and the size of stilling basin of spillway inlet channel were optimized，and the flow pattern，velocity distribution，discharge capacity and the efficiency of stilling pool in inlet channel were analyzed.The results showed that the guide wall type of straight line + arc could effectively improve the flow pattern and velocity distribution in the intake channel，and significantly improved the discharge capacity of the spillway.After increasing the size of the stilling pool，the energy dissipation rate of the stilling pool was increased by 6%" to 9%，and the flow out of the pool was more stable.The research results can provide a reference for similar projects.

Key words：

spillway； diversion canal； flood discharge and energy dissipation； velocity non-uniformity coefficient； hydraulic model test