莲花寺水库泄洪建筑物模型试验成果分析与优化设计

2015-08-19张彩双黄河勘测规划设计有限公司

河南水利与南水北调 2015年18期

□李艳 □张彩双 □何楠（黄河勘测规划设计有限公司）

1 工程概况

莲花寺水库位于葫芦河中游太白镇莲花寺河段，坝址控制流域面积1566km2，河长67.60km。枢纽建筑物从左岸到右岸依次为均质土坝、表孔泄洪闸、底孔泄洪排沙闸、混凝土重力式挡水坝段等建筑物，坝顶总长度178.50m。莲花寺水库最大坝高25.50m，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（1）型。正常蓄水位1147.00m，正常蓄水位以下库容594 万m3；校核洪水位1147.98m，总库容698 万m3；死水位1140.00m，死库容85 万m3。

设计洪水标准为30年一遇，相应洪峰流量为303m3/s；校核洪水标准为300年一遇，相应洪峰流量为711m3/s。消能防冲设施洪水标准采用20年一遇，相应洪峰流量为240m3/s。见表1。

表1 水位-泄量关系曲线表

2 泄洪建筑物模型试验与优化设计

2.1 泄洪建筑物初步设计方案及模型试验的提出

莲花寺水库初步设计阶段初步拟定泄洪坝段布置在河床左岸靠近主河槽，底孔泄洪排沙闸布置在混凝土挡水坝段右侧，设1 孔，过流净宽5.00m，边墩厚度为2.00m，进口高程1134.00m，孔口尺寸5.00m×5.00m（宽×高）。表孔泄洪闸位于底孔泄洪排沙闸右侧，均质土坝左侧。表孔泄洪闸堰顶高程1142.00m，采用WES 型堰型，堰头曲线采用双圆弧曲线，方程为y=0.1372 ×x1.823，定型设计水头Hd=5m，堰面下接坡面坡度为1：1.16。出口采用底流消能方式。堰顶溢流面设置两孔，单孔净宽5.00m，边墩厚及中墩厚度均采用2.00m。

理论设计计算泄流能力、下游消力池尺寸等均满足要求，但实际运行时不同水位情况下的泄流能力、水流流态、是否设分隔墩、下游浆砌石海漫效果以及各级流量下消力池内水跃发生位置，理论计算很难确定，需要结合水工模型试验加以验证并进行优化设计。

2.2 泄洪建筑物初步设计方案的模型试验结论与分析

对一级消力池的试验研究，其主要结论有以下几点：

2.2.1 针对流态而言

在各试验工况条件下消力池中均发生了强烈的水跃现象，消力池中流态紊乱，水流主体上往下游流动，在表面有明显的回流产生，水流掺气明显，摩擦消能充分。在无隔墩时消力池中的流态在边界条件的控制范围之内，纵向上水跃的影响长度不会超过消力池；但是在有隔墩时消力池中水流纵向上超过消力池，横向上漫过边墙，不利于建筑物的正常运行。因此从流态而言隔墩方案应该给予否定。

2.2.2 针对土石坝坝坡脚处的流态

在设计水位和校核水位下其水深波动范围分别为0.70～1.28m和0.90～1.43m，水流流速均很小，不会对土石坝坝坡脚形成冲击作用。

2.2.3 消力池中，水面线分布呈现先上升，再持平，后下降的变化规律

在无隔墩时，各工况条件下水面线均低于边墙的高程，最高水面线达边墙的2/3 处。在有隔墩时，底孔出流会有水流漫顶现象产生，在水流波动较大的位置水面线高于边墙高程。

2.2.4 针对流速分布而言

在各工况条件下消力池中流速分布规律性不强，表层水流受回流的影响，其流速小于底部流速。在无隔墩时，由于水流互相充分扩散和摩擦，因此流速较有隔墩情况时要小；在有隔墩时底孔出流流速较大，最大可达17.00m/s，对消力池的冲击较为严重，还有可能带来空蚀空化的问题。

2.2.5 针对压力分布而言

在各工况条件下消力池中均未出现负压，压力值整体不大，且压力分布规律明显。在消力池的前端由于水跃强烈和明显，因此压强波动明显，之后水流逐渐稳定，压强波动大幅减轻。对比有无隔墩两种情况，有隔墩时压力值较无隔墩情况有所增大，这是因为隔墩的存在导致消力池中水深略有增大，静水压力变大。同时无隔墩时压力沿程波动较小，有隔墩时压力沿程波动较大。

2.2.6 针对消力池的消能率而言

在设计水位条件下消力池的消能率为30.50%～42.50%，在校核水位条件下消力池的消能率为43.50%～57.50%。在各工况条件下隔墩结构不利于消力池的消能，无隔墩时消能率均大于有隔墩时的消能率。

为了充分利用坝下游原有的砌石坝，在一级消力池后采用浆砌石海漫接原来的砌石坝，形成二级消力池。模型试验中，基于二级消力池为浆砌石海漫或者深齿墙铅丝笼的不同结构，分别从流态分布以及流速大小两个方面的水力特性进行研究。试验认为两种结构的二级消力池对防止砌石坝以及下游河道的冲刷效果差异不大，整体而言认为铅丝笼结构更有助于保护消力池等建筑物的安全。

2.3 优化设计方案

根据原始方案的比选，发现无隔墩方案对整个消力池的消能更有利。但是从单开底孔时可以看出，消力池原体型存在一些不足，主要表现在消力池末端流速较大，水跃的影响范围基本快超过消力池末端，在二级消力池处的水面波动较大。究其原因，是因为底孔与消力池衔接的1:4 的斜坡段缩短了消力池的有效长度，导致水流消能不足。根据以上几点，提出优化方案如下：将底孔与消力池之间的衔接改为圆弧衔接，与表孔一致。

从优化方案一可以看到，左侧挡墙对底孔水流的横向扩散起到了阻碍作用，如果将左侧挡墙改为喇叭式出口，消力池长度也许可以缩减。根据这些分析，在第一次优化的基础上作出如下所示的优化方案二：

将消力池左侧的挡墙改为扩散角为5.71°的喇叭式出口，一直扩散至坝下0+045.00m，挡墙后面部分为原来边墙直接往左侧平移2.00m。将原来消力池往上游缩短19m，两岸边墙作相同长度的缩短。原有消力池的后面19m 长度范围填为1130.00m 高程，与两岸地形以1:1 斜坡衔接。

2.4 优化设计方案模型试验结论

在莲花寺水库水工模型试验的基础上，试验针对溢流表孔和冲沙底孔的泄流能力、一级消力池和二级消力池的消能率进行了研究。在此基础上，注意到原始方案中的一些不足之处，进行更进一步的研究，提出第一、二次优化方案，通过对比分析，得出最终的优化方案。试验结论和建议如下：

第一，针对溢流表孔和冲沙底孔进行过流能力试验，试验结果表明表孔和底孔的过流能力均大于理论计算值，满足工程实际过流的需要，能够确保整体水工建筑物的安全运行。

第二，在设计水位及校核水位下，闸门进口无进气漩涡以及其他威胁建筑安全的水流现象产生，仅在土石坝处产生横向水流，该流速最大在1.20m/s 左右，不会影响土石坝的安全。但是需要注意，底孔尽量避免在水位1142.79～1143.79m 时泄水，此时会产生间歇性的进气漩涡。

第三，一级消力池的试验中，在各试验工况条件下消力池中均发生了强烈的水跃现象。消力池中流态紊乱，水流掺气明显，摩擦消能充分，伴有明显的回流产生。有隔墩和无隔墩条件下试验现象差别较大，综合考虑流态、水面线、压力、消能率等因素，认为隔墩结构不利于整个消力池的正常运行和提高消能率，否定有隔墩方案，不设置隔墩。

第四，关于消力池的尺寸问题，分别以三种方案的对比来进行说明。从水跃的影响范围来看，原始方案在断面（0+079.084）左右，第一、二次优化方案均在断面（0+079.084）之前。从水面线的分布来看，优化方案二水面线最低，其次是原始方案，优化方案一最高。综合考虑，优化方案二最好，能够既保证较短的水跃影响范围又能避免消力池内产生过高的水流跃出边墙。

第五，对于二级消力池（即海漫），三种方案对比可以得出，优化方案二流速最小，有利于减弱水流对其冲刷作用。所以宜采用优化方案二并且保留原有砌石坝。

第六，从消能率方面来看，原始方案消能率在50%左右，优化方案一与优化方案二均在70%左右，优化方案一的消能率略大于优化方案二的消能率。但是从经济性上考虑，缩短19m 长度的经济效益下，优化方案二比优化方案一略小的消能率是可以接受的。

第七，土石坝坝坡脚处，原始方案与优化方案一的水深波动范围均为0.70～1.43m，优化方案二的水深波动范围是0.70～1.85m，但是三种方案下水流流速均很小，不会威胁土石坝安全。

第八，从整个试验来看，砌石坝的存在有利于雍高消力池末端水位，提高跃后水深，使水跃发生断面提前，进而使消能更充分。它的存在有效地保护了二级消力池（即海漫段），所以建议保留砌石坝。

第九，数值模拟主要研究了特定工况条件下水面线和流速分布的规律，结果与物理模型的试验结果相一致。总体来讲，优化方案二是最合适的方案。

第十，通过第一、二次优化方案的物理模型和数值模型的研究，最终的优化方案为：将底孔与消力池之间的衔接由原来的1:4 斜坡段改为圆弧衔接；将消力池左侧的挡墙改为扩散角为5.71°的喇叭式出口，一直扩散至坝下0+045.00m，后面部分为原来挡墙直接往左侧平移2.00m。将原来消力池往上游缩短19m，对应的边墙作相同长度的缩短。汛期坝后水位较高，高于现有的土路高程，将会冲刷土路，为了使水流平顺通过下游的溢流砌石坝流向下游，建议将均质土坝后的土路加高至1138.00m。

莲花寺水库泄洪建筑物设计是理论设计→水工模型试验验证→分析研究→优化设计→水工模型试验验证一系列逐步优化的过程。对理论设计中无法确定的问题经模型试验去验证，也为今后相关的设计提供参考依据。莲花寺水库优化过程也证明了，理论计算中的泄流能力满足要求，但理论计算无法准确计算出水流扩散角度。通过试验，取消中隔墩后，消力池长度减短，水流不会漫过边墙，消能率较高。左侧边墙采用扩散边墙后，水流较平顺。

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