青山水库溢洪道水工模型试验研究

徐建平，王月华，史 斌，王 斌

(1.长兴县水利局，浙江 长兴 313100;2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 工程概况

青山水库位于长兴县和平镇沙埠村，属西苕溪支流晓墅港支流，坝址距11省道约450m。青山水库所在地气候温暖湿润，四季分明，雨水充沛，属中亚热带季风气候。多年平均气温15.6℃，多年平均降水量1535.10mm;梅雨、台风雨是本地区洪灾产生的主要原因。

水库集雨面积3.4km2，主流长4.0km，主流平均坡降为2.6%，总库容110.4万m3，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水等综合利用的小 (1)型水库。水库工程等别为Ⅳ等，主要永久性水工建筑物级别为4级，次要建筑物为5级。灌溉面积233.3hm2(3500亩)，防洪保护人口2300人，耕地166.7hm2(2500亩)。

溢洪道为开敞正槽式溢洪道，控制堰堰型为宽顶堰，位于大坝左岸。堰顶高程为58.20m，堰顶宽12.50m，P=5.0%泄洪能力为26.7m3/s，设计工况 (P=2.0%)泄洪能力为34.3m3/s，校核工况 (P=0.2%)泄洪能力为53.8m3/s［1］。原设计方案工程平剖面见图1和图2。

图1 原设计方案工程平面图

图2 原设计方案工程剖面图 单位:m

2 模型设计

模型按重力相似准则设计［2］，几何比尺取1∶20。上游取堰上约100.00m，下游至消力池以下约85.00m，模型全长约16.00m。模型参照设计提供的图纸和现状实际情况控制放样，采用断面板法，以水泥砂浆刮制而成。模型设计、制作、仪器设备及精度均满足水利部颁发的SL 155—2012《水工 (常规)模型试验规程》要求。

3 原设计方案

3.1 试验成果

由于受溢洪道弯道的影响，水流在惯性作用下直冲弯道左岸挡墙，使左侧水深增加，右侧水深降低，形成水面横比降。水体大部分集中在左侧，右侧部分位置甚至露出底板。随着上游来流量的增加，泄槽中水流横比降更大。虽然弯道本身有一定的横比降，最大的横比降在弯道中心处，约为1∶11.5，但是作用不明显。P=5.0%工况时，泄槽内实测最大水深为1.80m，位于溢0+076.60m，水流接近挡墙;P=2.0%工况时，泄槽内实测最大水深为2.10m，位于溢0+078.60m，水流翻越挡墙，水面超过挡墙约0.30m。原设计方案水流流态和左岸沿程水面线见图3和图4。

水流在溢0+105.10m断面形成挑流:①水舌直接越过消力池挑落在池后河床上，消力池不起消能作用。在P=5.0%、P=2.0%水舌最高点超过消力池挡墙分别为1.92，2.12m。P=5.0%工况挑流水舌最大挑距为16.00m，水舌落在消力池尾坎下游5.57m;P=2.0%工况挑流水舌最大挑距为18.00m，水舌落在消力池尾坎下游7.57m。②在上游折冲水流的影响下，水流出鼻坎后斜向右边挑出，直接砸击消力池右侧挡墙，水流流态较差 (见图3、4)。

3.2 存在的问题

通过模型试验，该溢洪道存在的问题有:①泄槽存在不利折冲水流:水流分布不均匀，流态不利，能量集中。水流在离心惯性力的作用下产生冲击波，水面沿挡墙爬高，设计工况的时候出现水流翻越挡墙现象。②消能工不能满足设计要求:水流出鼻坎后直接砸击消力池右侧挡墙;水舌越过消力池，消力池不起作用。

图3 原设计方案水流流态图

图4 原设计方案左岸沿程水面线图

4 修改方案

4.1 工程布置

(1)目前工程上应用的改善弯道水流的方法有缓和曲线法、斜底法、斜槛法等［3-4］，本文通过反复试验来寻求最佳改善弯道水流的措施。最后推荐设置高低槽和贴角方案:溢0+059.05～溢0+078.60m设置高低槽，前后各设长度为8.00m的过渡段。高槽表面横比降为1∶10，右侧和低槽相接处直立墙高度均为0.75m。溢0+066.80～溢0+078.60m设置高0.80m的贴角，位于高槽上 (见图5)。

(2)为了改善消力池流态，工程措施是取消挑流鼻坎，鼻坎处高程由39.21m降低到37.17m，溢0+099.10～溢0+104.60m设置1∶1.88的斜坡。消力池长度沿中心线增加7.00m(见图6)。

图5 高低槽和贴角示意图 单位:m

图6 消能工示意图 单位:m

4.2 试验成果

高低槽和贴角明显改善了沿程水流流态，解决了弯道冲击波和水流翻越挡墙问题。进入弯道和陡槽的水流被重新分配，冲击左侧挡墙的水流强度明显减小，折冲现象明显减弱，泄槽露底面积明显减小。图7和图8分别为修改方案的水流流态和左岸沿程水面线。

P=5.0%工况时，泄槽内实测最大水深为1.10m，位于溢0+074.60m断面贴角上，少量水流翻越贴角进入贴角跟挡墙之间的回水槽，进而流入泄槽，水流没有超过挡墙。P=2.0%工况时，泄槽内实测最大水深为1.20m，位于溢0+074.60m断面贴角上，少量水流翻越贴角进入贴角跟挡墙之间的回水槽，进而流入泄槽，水流没有超过挡墙。

图7 修改方案水流流态图

图8 修改方案左岸沿程水面线图

水流自泄槽进入消力池后均能形成淹没水跃，水流漩滚强烈。P=5.0%、P=2.0%工况下，消力池水流均没有超过挡墙，水面分别距离挡墙顶约1.44，0.84m。由于取消挑流鼻坎和消力池沿中心线加长7.00m，水流出消力池后比较顺畅，下游水流流态明显优于原设计方案。

5 结语

通过1∶20水工模型，对青山水库溢洪道进行了试验研究，提出的修改方案通过在溢洪道上进行局部改造，较好地解决了弯道冲击波和水流翻越挡墙问题，改善了消力池的消能效果。①修改方案为高低槽结合贴角，弯道和陡槽的水流被重新分配，明显改善了沿程水流流态，折冲现象明显减弱。②取消挑流鼻坎和加长消力池长度后，水流均能射入消力池中，水流流态较原设计方案明显改善。在P=5.0%和P=2.0%下，水面均不会超过消力池挡墙。

［1］王月华，史斌.青山水库除险加固工程溢洪道水工模型试验研究报告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2013.

［2］屠兴刚，包中进.新疆阿勒泰柯赛依水电站岸边溢洪道水工模型试验研究［J］.浙江水利科技，2012(5):35-36.

［3］李静，伍超，吴宇峰.双弯曲溢洪道的优化及试验研究 ［J］.西南民族大学学报，2006，32(2):324-328.

［4］何占斌，郑春城.弯曲溢洪道综合消能的试验研究 ［J］.中国水运，2012，12(3):108-109.