中咀坡水电站溢洪道进口中墩体型优化试验

刘 腾，杨胜发，李立强，谢 龙

(重庆交通大学河海学院，重庆400074)

溢洪道作为常见的泄水建筑物，通常由进水渠、控制段、泄槽段、消能防冲段和出水渠段等几部分组成［1］，可宣泄洪水，防止洪水漫溢坝顶，从而保证大坝的安全。而作为溢洪道龙头的进水渠，其作用是将水库的水平稳的引到控制段［2］。一般来讲，进水渠水流的流态直接影响到溢洪道泄流能力和水电站的运行效果，因此，进水渠的合理设计是溢洪道结构设计的重点和难点之一。国内外工程经验表明，进水渠设计不当将导致水流流态不平顺、不稳定，直接影响溢洪道泄洪，甚至危及电站的运行［3］。

1 工程概况

中咀坡水电站主要由拦河坝、取水口、引水隧洞、调压井、压力管道和厂区建筑物组成，位于重庆市巫山县境内的后溪河梯级水电站(庙堂水电站、中咀坡水电站、峡门口水电站)中的第二级水电站。电站设计引用流量 11.1m3/s，电站装机容量 2×12 850 kW。中咀坡水电站为三等中型工程，工程大坝为面板堆石坝，坝高111m，顶部高程为545m，顶宽8m，坝顶全长219m，溢洪道设计方案为正堰开敞式溢洪道，由进水渠、控制段、泄槽收缩段、泄洪隧洞段、挑流鼻坎组成。进水渠轴线长29.12m，宽度24.0m，其前部呈喇叭口形状，进口前缘宽58.0m。进水渠采用矩形断面。控制段选用两孔闸室进水，连同中墩共宽24m，中墩宽4m，闸室总长为34m，每孔设一扇10m ×10.5m(b×h)的弧形工作闸门，不设检修门。闸室后紧接着为长41.0m的收缩段，其宽度由24.0m缩窄为12.0m，边墙收缩角为7.43°。其后依次接长度分别为497.33m和17m的泄洪隧洞和挑流坎。

2 溢洪道进水段优化设计研究

2.1 进水渠布置形式及泄洪能力

中咀坡水电站工程设计洪水为100年一遇洪水流量，Q=1 070m3/s，校核洪水为1 000年一遇洪水流量，Q=1 590m3/s。设计方案中进水渠由山体开挖而成，轴线长29.12m，宽度24.0m，其前部呈喇叭口形状，进口前缘宽58.0m。进水渠采用矩形断面。进水渠由山体开挖形成，渠底高程533.0m，进水渠左边墙采用C20埋石混凝土衡重式挡墙，左侧靠山体前半部分采用圆弧段，圆弧转弯半径为150.0m，转角76°，圆弧末端通过长18.3m的直线导水墙与控制段相接，圆弧段和直线段导墙墙顶高程548.0m，墙顶宽度2m，背坡为1∶0.3。进水渠右侧导墙采用重力式混凝土挡墙，墙顶高程 548.0m，墙顶宽度 2.5m，背坡为 1∶0.5。原方案选用两孔闸室进水，连同中墩共宽24m，中墩宽4m，中墩尾部采用半圆形结构设计形式，圆弧的半径为2m，堰型采用WES实用堰，高为2.5m。进水渠平面布置如图1。

图1 溢洪道进水渠平面布置Fig.1 Engineering layout of the spillway

通过试验，观测到以下现象:圆弧形式的左导墙对水流的阻碍作用不大，水流较为平顺，但进口水流在中墩与右导墙头部形成了绕流，并产生顺时针立轴漩涡，引起导墙内侧形成回流，水流流态比较紊乱，进水渠水流流态见图2(a)。受回流区影响，闸前水面形成一定程度的横比降，从表1泄流设计方案进水渠水位分析表中可以看出，闸前水面形成一定程度的横比降，控制闸门进口处右边孔水面线明显低于左孔水面线，使进闸水流分布不均，严重降低了溢洪道的过流能力。同时从图2(b)中亦能发现中墩尾部产生较为严重的空蚀、气蚀现象。经分析得出水流由两孔闸门出流有一定的水位差，流量流速不等，受中墩导墙影响，靠近中墩位置的水流流速较小，从而产生空蚀气蚀现象［4］。

表1 泄流设计方案闸口处水位分析Table 1 Water level at the water-gate of original design

图2 原设计方案Fig.2 Original design spillway

2.2 进口方案优化

为了改善进口水流流态提高溢洪道的泄流能力，使进水渠处水流平顺、均匀减少水头损失，需要对溢洪道进口的结构形式进行优化设计［5］。对原方案进行局部优化，重点考虑进水渠处，引导水流均匀流入两孔，尽量使两孔流量均分，减少下游下泄水流折冲现象的发生［6］。优化的总体思路是两侧导墙不变，对中墩尾部加以调整，寻找合适的尾墩形式，使得进闸水流分布均匀，提高溢洪道的过流能力，同时减少空蚀和气蚀对尾墩的破坏，试验共做了两种修改方案的对比分析试验。

2.2.1 椭圆形尾墩

椭圆圆形尾墩是一种常见的尾墩形态，它的外形轮廓可以使得两侧水流侧向收缩小，过水能力大，使得水流流态平顺［7］。尖圆形尾墩的高度与中墩同高，俯视图中椭圆长轴为1.71倍的中轴宽度，即6.84m，短轴为1.21 倍中轴宽度，即为4.84m。方案的平面布置见图3。

图3 椭圆形方案下溢洪道进水渠水流形态Fig.3 Water patterns of the diversion canal of oval design

试验观测发现，闸门进口处水流流态较为平顺。右导墙与中墩之间水面横比降有所降低，并且在尾墩的底部仍然存在溢洪道弯道段由于水流在此发生偏转，受到向外扩散的离心力作用，水流紊乱，折冲现象明显，此处水流流态需要着重予以考虑。在原设计方案下弯道起讫点位置，弯道转弯半径、转角、宽度不变，对弯道底板考虑予以变化，保持轴线高程不变，调整两侧高程且弯道内横断面过水面积不变。

2.2.2 变宽度淹没式斜尾墩

变宽度淹没式斜尾墩在原修改方案的基础上进行局部优化，重点考虑进水渠处，引导水流均匀流入两孔，尽量使两孔流量均分，减少下游下泄水流折冲现象的发生［8］。左侧导墙不变，中墩尾部加以调整，将先前的两段1/4椭圆弧改成两段。第1段为长3.4m的变高度变宽度斜尾墩，第2段为长12.35m，宽0.6m的变高度斜尾墩。尾墩与中墩连接处高6.33m，沿程坡比为 1∶0.5，变宽度淹没式斜尾墩的平面布置和纵剖面见图4。

图4 变宽度淹没式斜尾墩平面布置及剖面(1∶200)Fig.4 Layout＆ profile of the changed width oblique tail submerged pier

观测发现收缩段进口处水流折冲现象明显减小，洞口和边墙所受的冲击也减小，从图5中可以看出水冠高度明显降低，水流流态有很好的改善，于是将此方案定为推荐方案。

图5 推荐方案溢洪道进水渠水流形态Fig.5 Water patterns of the diversion canal of recommended design spillway

3 推荐方案效果分析

由于原方案水流入闸后在中墩尾部形成较大的水冠，致使流态不稳定，影响溢洪道的泄洪能力［9］，并随着溢洪道泄流量的增大，产生较为严重的空蚀和气蚀现象，而推荐方案在消除水冠以及提高溢洪道泄洪能力方面都有较好的效果。为此，试验分析了在设计和校核流量工况下该中墩体型对泄洪能力的影响，见表2。

表2 推荐方案闸口水位分析Table 2 Water level at the water-gate of recommended design

从表2中可以看出，闸前水面横比降明显有所降低，受离心力的影响，控制闸门进口处右边孔水面线略低于左孔水面线，但是较原方案有明显的改善。并且，库水位有了一定的降低，且基本与计算库水位接近，所以在此方案下的尾墩形式，不仅能够改善流态，降低进口水位横比降，而且能够提高溢洪道的泄洪能力。

4 结语

水库的溢洪道作为水库安全运行的保障其进口形式的优劣直接影响到进水渠的水流流态，安全泄洪能力，其合理的形式是设计的重点。笔者通过对中咀坡水工试验模型研究，探讨出宽度淹没式斜尾墩的布置优化设计方案，不仅能够改善进口水流的流态，均分进闸水流，从而减小空蚀和气蚀的危害，而且由于此方案下尾墩后的水冠高度明显降低，从而提高了溢洪道的泄洪能力。

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