中咀坡水电站溢洪道弯曲段改造设计试验研究

周锡发，成应鹏，成红莲，谢 龙，李 洋

(1.中铁五局集团第五工程有限公司，湖南郴州423000;2.重庆交通大学 河海学院，重庆400074;3.重庆市继兴工程监理有限公司，重庆400074)

在现代水利水电工程建设中，溢洪道工程设计的合理与否，将直接影响到其泄流能力和整个水利枢纽运行的安全、稳定性，且用于溢洪道的投资一般高达整个水库枢纽工程的1/4［1］。因此，做好溢洪道的布局和合理选型，是整个水库工程设计非常重要的部分。

水电站溢洪道一般都使用开敞式结构。在弯曲段，水流流态非常复杂，由于离向心力的作用，使得凸岸水流向凹岸汇聚，横向剧烈地冲击凹岸，造成断面内流量分布不均，而且由于边墙转折，迫使水流改变方向偏离轴线，并在撞击变强后受其反作用力不断发生波的反射、干涉与传播，形成一系列相互交错、不断叠加的水流冲击波，若不妥善采取措施，势必对溢洪道两边壁造成严重的冲刷，影响下游水流流态，甚至导致两岸岸坡坍塌和工程失事［2］。因此，合理地选择、设计溢洪道弯曲段的布局和机构形式，对溢洪道正常运行和工程量的大小都有十分重要的意义［3］。

1 工程概况

中咀坡水电站为位于重庆市巫山县境内，坝址位于后溪河与其支流三庄溪汇合口以下约4.0 km的中咀坡处，距巫山县城公路里程约70 km，控制流域面积118.3 km2，多年平均流量 4.186 m3/s，多年平均径流量1.32亿m3，中咀坡水库正常蓄水位546.00 m，相应库容1 491万m3，总库容为1 578万m3，电站装机容量2 570 kW。按照DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，中咀坡水电站为3等中型工程，本工程大坝为面板堆石坝，坝高111 m，顶部高程为545 m，顶宽8 m。根据规范规定，永久性主要建筑物大坝、泄水建筑物为2级建筑物，结构安全级别为Ⅱ级;引水系统建筑物、电站厂房、次要建筑物及临时性建筑物定为4级建筑物，结构安全级别为Ⅲ级。溢洪道的平面布置如图1。

图1 溢洪道平面布置Fig.1 Spillway arrangement

2 工程隐患

由于溢洪道基础绝大部分置于弱风化灰岩上，稳定性较差。再加上弯曲段复杂的水力特性，导致凹岸边墙受到剧烈的横向冲击，局部边坡甚至出现崩塌。同时，由于在溢洪道弯曲段水流流态恶劣、冲击波叠加严重，导致各断面内水流分布不均、左右两侧受力特性不对称，不仅不利于溢洪道的结构稳定和安全运行，还严重干扰了下游各衔接断面的水流流态。工程竣工运行后，无法保证水库的安全泄洪［4］，存在着一系列的安全隐患。

3 溢洪道弯曲段改造设计

众所周知，当水流进入弯道段后，会在溢洪道边壁的引导下顺着中轴线做曲线运动，自然会产生指向溢洪道外侧的离心力，水体为抵消离心力会有向凹岸运动的趋势，造成两岸水流横向运动、水体分布不均，使得水流流态紊乱。溢洪道的曲率越大，其水流紊乱度也越大［5］。

中咀坡溢洪道段纵坡i=0.1，弯道中轴半径为120 m，属于典型的缓弯结构［6］。当水流进入弯曲段时，水流互相衍射、干涉，形成明显的水流冲击波，并与弯道段离心力共同作用于水体，使其向凹岸汇聚，形成弯道内左右两侧较高的水位差，产生回流、乱流等恶劣流态。因此，为改善整个溢洪道的水流流态，重点在于对弯曲段重新进行合理设计，减小其横向水位差，使各断面内流量分布趋近均匀，消减或抑制冲击波。

弯曲段的水利设计方法很多，比较而言，复曲线法，其布置对水流条件变化的适应性较广，但由于中咀坡电站横断面宽度较小，不利于变化较大复杂曲线的布置;对于斜底坎法，由于斜底坎的阻水作用，弯道水流壅水很高，有类似脱离底面的现象，而且水流中掺杂了大量气泡。考虑到此位置位于隧洞中，其产生的大量气泡会不利于工程;具体到渠底超高法与导流墙法，前者由于水流重力沿横向坡度产生的分力与弯曲段水体的离心力相平衡;后者阻挡了水流向凹岸侧汇聚，削弱了环流等不利流态，效果十分明显，且具有施工方便，工程造价低等优点，被广泛应用于实际水利工程中。结合该水库溢洪道的实际情况，考虑采用渠底超高法及导流墙法改善溢洪弯曲段水流流态及减轻或消除冲击波对下游的不利影响。

3.1 渠底超高布置

在弯曲段的横剖面上，将外侧渠底抬高，从而形成一定的横向坡度，对内侧的水流汇入产生阻碍作用，同时，利用抬高水体重力沿横向底坡产生的分力，抵消部分离心力，以调整横剖面上的流量分布，使之均匀，改善流态［7］，减小冲击波和保持弯曲段水面的稳定性。凹岸底板抬高值Δh可按经验公式(1)计算：

式中：k为经验系数，根据上游来流量大小以及弯道曲线连接形式取 0.5～1.0，本工程取 0.75;b为溢洪道宽度;R为溢洪道弯道中轴曲率半径。

根据式(1)，当弯曲段弧顶处横向底板高程差达到最大值2.61 m时，渠底正超高法效果最好。考虑到与弯曲段进口与弯曲段出口的底板衔接，以及尽量降低弯曲段外侧的水位高程以缩减边墙的工程量等因素，并综合考虑设计的超高方案施工的可行性，通过系列优化试验，最终推荐最大超高值2.6 m方案，推荐方案弯曲段底板高程变化见表1。

表1 弯曲段内底部沿程高程Table 1 Recommended scheme for the bottom bend in the path elevation

3.2 导流墙布置

为了消除弯道段因重力引起的横向水面差，考虑在弯道段底板设置挡墙，以阻碍水流的横向运动。导流墙的出现，将溢洪道分为了内外两个水槽，为使内、外槽流量大致相等，一般布置在弯道轴线上。在实际工程中，导流墙的材质普遍使用钢筋混凝土。

当下泄流量较小，溢洪道内水深低于导流墙高度时，导流墙完全阻隔了内、外槽水流的运动，当下泄水流较大时，槽内水流漫过了导流墙，但底部的大部分水流仍受到阻挡，不能自由地横向流动，使导流墙起到了归顺水流，改善弯道内水体分布结构，优化内外两槽分流比的作用。

导流墙的高度和宽度是其设计的重点［8］，在实际应用中，导流墙高度不够，会影响导流的效果，不能很好的调整弯道内的水流结构，导流墙的宽度太窄，会影响导流墙承受两侧水体压力的稳定性，给工程带来隐患，同时，增大导流墙的高度和宽度会增大工程量，增加施工成本。在设计阶段，导流墙的高度一般取弯道段入口水深的0.3～0.5倍，宽度取弯道段入口水深的0.1～0.2倍。结合以往经验和工程实际情况，将导流墙布置在弯道段轴线上，墙体采用采用C25钢筋混凝土结构，高3 m，宽2 m。渠底超高结合导流墙的布置见图2。

图2 弯道段改造方案Fig.2 Corner period of reconstruction scheme figure

4 模型试验结果分析

从模型试验成果来看，改造方案下整个溢洪道流态有了明显好转，从表2的实测数据来看，改造方案下左右两侧水深略有增加，流速小幅下降，提高了溢洪道运行的稳定性。从左右岸的水深、流速差来看，凹岸的最大水深有所降低，凸岸的最小水深有所增加，两岸横向差值有所下降，减少了弯曲段内的水流横向运动。

表2 原方案及改造方案弯曲段水深流速分布(设计工况下)Table 2 Original and improved plan for bending water velocity distribution(the design condition)

试验结果表明：采用改造方案后，水流进入弯曲段后，断面横向水深、流速差值减小，流量分布趋于均匀;整个溢洪道弯曲段水深增加，流速减小，有利于溢洪道的稳定运行;两侧边壁没有明显的壅水，弯曲段内相互交错的冲击波被有效的抑制，水流流态有了明显的改善。

笔者推荐方案在原址上进行了优化改造设计，只需在弯曲段凹岸侧抬高底板和边墙，并在中轴线处增设导墙，没有拆除工程，减小了施工难度，节约了开支。

5 结语

水库溢洪道弯曲段的流态十分复杂，其结构形式的优劣直接影响到下游泄槽的流态，消能设施的工作效率，以及工程运行的安全稳定性，其合理的形式是设计的重点和难点，笔者通过对中咀坡水工试验模型研究，探讨出渠底正超高结合导流墙的布置方案，起到了均匀分布断面内流量，抑制急流冲击波，改善弯曲段水流流态，提高下游消能效果的良好作用，对其他类似工程有着重要的参考价值。

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