麻沟水库溢洪道设计与优化

陈 勇（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

麻沟水库溢洪道设计与优化

陈 勇
（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

通过水工模型试验研究，对原初步设计方案的效果和合理性进行评价，并针对进水引渠右导墙型式、溢流堰中部闸墩尾部形状、溢流堰及溢洪道泄槽轴线布设、降低消力池底板高程和出口消力坎高程等进行多次调整比较，推荐优选布置方案及体型参数，为麻沟水库溢洪道体型优化提供了技术支撑。图1幅。

水库；溢洪道；水工模型试验；优化设计

1　工程概况

麻沟水库工程位于贵州省遵义市汇川区泗渡镇麻沟村境内，是1座以灌溉为主，并兼顾解决灌区内人畜饮水的中型水库。坝址以上流域面积57.0 km2，总库容1 160万m3，工程枢纽主要建筑物由混凝土面板堆石坝 （主坝和副坝）、溢洪道、导流兼放空隧洞、灌溉取水隧洞等组成，主坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高54.30 m。麻沟水库洪水标准按50年一遇 （P=2%）洪水设计，1 000年一遇 （P=0.1%）洪水校核，泄水建筑物消能防冲设计洪水标准按30年一遇洪水设计，泄洪任务主要由溢洪道承担。水库校核洪水位为1 039.59 m，下泄流量为406 m3/s；设计洪水位为1 038.0 m，下泄流量为255 m3/s；30年一遇消能防冲溢洪道下泄流量为244 m3/s，相应水位为1 038.0 m。

溢洪道布置左岸，根据地形条件、轴线布置、消能方式等因素综合考虑 ，施工图设计时经比较分析选择溢洪道轴线为平直线布置，溢洪道由进水渠、控制堰段、泄槽段、消能段等组成，总长约240.98 m（含引渠和护坦），控制段为低实用堰，溢流净宽12.0 m，泄槽宽度14.50 m，消力池长度45.0 m，宽度20.0 m，由于受地形地质条件的限制，消能方式选择下挖式消力池底流消能方式。

2　水工模型试验成果

为验证溢洪道原设计方案在不同工况下的泄洪水流流态及消能效果，确定合理的进水口体型和闸墩形状，以及溢洪道轴线和末端消能方式，笔者所在单位与贵州黔水科研、试验、检测有限公司共同进行了溢洪道整体模型试验研究，为优选布置方案及体型优化提供技术支撑。在原设计方案基础上，结合地形地质条件初步拟定3种方案进行水工模型试验研究。

2.1原设计方案与水工模型试验修改方案成果对照

2.1.1原方案试验成果

受引渠右导墙的影响，进口引渠水流扰动明显，且影响至溢流堰处，导致通过右边孔下泄的水流有摆动的现象，从而影响了泄槽内下泄水流的平顺。受溢0+80.912 m～溢0+102.911 m泄槽转弯段的影响，使得泄槽扩散段溢0+102.911 m～溢0 +113 m水流出现左高右低的现象 ，且设计工况下最大水面落差为4.5 m，转弯段水流溢出泄槽边墙。水流主体集中于左侧边墙，消力池内未出现淹没消能形式，池内出现顺时针回旋水流，消力池内左右两侧流速差最大达11 m/s，水流流态混乱，消能效力低，消力池出坎水流携带较大的动能，消力池尾坎基础最大冲刷深度为2.71 m。

2.1.2 修改方案1

（1）调整内容。针对原方案水流迹线不能与引渠右导墙吻合的问题，水流摆动明显，影响了泄槽内水流的平顺，故修改原方案导墙，原方案右导墙在溢0-024.5 m～溢0-009.5 m范围内导墙高度由3.0 m渐变到13.0 m，调整导墙高度均为13.0 m，且在导墙前沿设置椭圆型进口曲线。

（2）试验成果。右导墙高度的修改和前沿椭圆连接曲线的设置，使得各级流量下，经过引水渠的水流均能平顺流入溢流堰 ，引渠右导墙流态有较大的改善，溢流堰的泄流能力也略有增加 ，泄流量增加约4.38 m3/s。

2.1.3修改方案2

（1）调整内容。引水渠部分和溢流堰采用修改方案1的设置，将原方案溢0+80.912 m～溢0+ 102.911 m转弯段，向上游移至溢0+30.889 m～溢0+53.927 m。

（2）试验成果。下泄水流进入溢0+30.889 m弯道段后 ，水流开始折冲，水流从溢0+42.408 m桩号处折冲至溢0+98.601 m处，再继续折冲进消力池。同时在弯道段之后的断面上，下泄水流也出现和原方案一样的左高右低的现象，设计工况下在溢0+53.927 m处出现最大水面落差，其落差值为5.75 m。折冲水流进入消力池后没有出现明显的回旋水流，水流极不均匀，未形成显著的淹没消能。消力池内水浪翻滚，出坎水流依然携带较大的能量，对尾坎基础有较大的冲刷。在校核工况下，尾坎基础处最大冲刷深度为3.25 m。

2.1.4修改方案3

（1）调整内容。引渠右导墙采用修改方案1的设置，以原设计方案溢0-002.0 m处右边墙角点为圆心将溢流堰及溢洪道泄槽轴线顺时针旋转13.5°，使溢流堰及溢洪道泄槽轴线直线布置 ，同时将中部闸墩尾部形状修改成椭圆型曲线。泄槽边墙高度降低至3.80 m，同时降低消力池底板高程和出口消力坎高程。

（2）试验成果。各级流量下，引水渠的水流均能平顺流入溢流堰 ，溢洪道泄槽内水流均匀平稳，溢流堰和泄槽未出现互压 ，泄槽段未出现水流溢出的现象，末端消力池内形成完全的淹没水流 ，消能充分。消能后的水流平顺由尾坎泄出，在校核工况下尾坎基础处最大冲刷深度为1.50 m，冲坑深度大大改善。试验成果显示，修改方案3最为合理。

2.2原设计方案与优化设计成果比较

2.2.1进口引渠

（1）水工模型试验研究成果。引渠右导墙进口曲线需作修改，边墙高度也需作调整。

（2）原设计方案。导墙进口形状为直角形；右导墙在溢0-024.5 m～溢0-009.5 m范围内导墙高度由3.0 m渐变到13.0 m。

（3）优化设计方案。导墙进口形状为椭圆型形；右导墙在溢0-024.5 m～溢0-009.5 m范围内导墙高度均为13.0 m。

2.2.2控制堰闸墩形状

（1）水工模型试验研究成果。溢洪道控制堰段闸墩进出口形状对泄槽水流流态有一定影响。

（2）原设计方案。原方案控制堰段闸墩进出口形状均为圆形。

（3）优化设计方案。原方案控制堰段闸墩进出口形状均改为椭圆型曲线，闸墩尾部半圆曲线改为长半轴2.5 m，短半轴1.25 m的椭圆曲线。

2.2.3溢洪道泄槽轴线

（1）水工模型试验研究成果。为改善泄槽内水流流态及流速，溢洪道泄槽轴线尽量不要设置转弯段。通过实测各工况下泄槽水面线，可以降低泄槽边墙高度。

（2）原设计方案。原方案溢0+010.282～溢0 +141.738 m为泄槽段，在溢0+80.912 m～溢0+ 102.911 m设置转弯段；其中溢0+010.282～溢0+ 76.00 m，纵坡 i=0.143；溢0+102.911～溢0+ 141.738 m，纵坡 i=0.277，两段间采用抛物线连接。泄槽断面为矩形 ，底板宽14.5 m，边墙高4.0 m。

（3）优化设计方案。为避免泄槽水流出现左高右低的现象，防止泄槽水流折冲，以原设计方案溢0-002.0 m处右边墙角点为圆心将溢流堰及溢洪道泄槽轴线顺时针旋转13.5°，溢洪道溢流堰及泄槽轴线直线布置，溢0+12.0 m～溢0+147.995 m为泄槽段，纵坡 i=0.143，泄槽断面为矩形，底板宽14.5 m，边墙高3.80 m。

2.2.4 消力池和消力坎

（1）水工模型试验研究成果。降低消力池底板高程和出口消力坎高程，末端消力池内形成完全的淹没水流，消能充分，出池水流较为平顺的进入下游河床内，流态较好，改善消力坎坎脚冲坑深度。

（2）原设计方案。泄槽末端接消力池 ，消力池长45.0 m，底板高程为1 001.0 m，消力池末端设消力坎，坎顶高程为1 005.50 m，消力池边墙顶部高程1 010.00 m，池深9.0 m。

（3）优化设计方案。溢洪道溢流堰及泄槽轴线直线布置，从溢0-002.0 m～溢0+98.601 m为直线段，从溢0+98.601 m～溢0+147.995 m为直线扩散段段，从溢0+147.995 m～溢0+196.245m为消力池段，消力池长45.0 m，消力池底板高程999.0 m，尾坎高程1 003.5 m，均相对于原方案降低2.0 m，消力池边墙顶部高程1 008.50 m，池深9.50 m。

3　优化设计方案拟定

最终推荐方案通过对进水引渠右导墙型式、溢流堰中部闸墩尾部曲线、溢流堰及溢洪道泄槽轴线、降低消力池底板高程和出口消力坎高程等进行多方案优化和调整，使引水渠的水流进水条件较好，溢洪道泄槽内水流均匀平稳，溢流堰及泄槽上均未出现负压，泄槽段边墙高度降低至3.80 m后未出现水流溢出的现象，消能效果明显，冲坑深度大大改善。另外，溢洪道在泄校核水位时，沿程水深均低于设计边墙，但原方案在下泄校核洪水时 ，消力池内水深比设计边墙高出2.5 m，下泄设计洪水时，消力池内水深比设计边墙高出0.5 m；因此，在降低消力池底板高程和消力池出口消力坎坎顶高程的同时，将消力池边墙高度加高0.5 m。

根据溢洪道整体水工模型试验研究成果 ，我们对原初步设计方案进行了优化，经多次优化调整推荐修改方案3（见图1）。

图1　溢洪道原方案与优化设计方案平面布置示意

4　结 语

通过水工模型试验研究 ，对原初步设计方案的合理性进行论证，并针对进水引渠右导墙型式、溢流堰中部闸墩尾部形状、溢流堰及溢洪道泄槽轴线、降低消力池底板高程和出口消力坎高程等进行多次调整比较，推荐优选布置方案及体型参数，为溢洪道体型优化提供了技术支撑。经优化设计后溢洪道布置合理，体型满足各工况下泄水流要求，在各典型工况时，溢洪道泄槽内水流均匀平稳 ，溢流堰及泄槽上均未出现负压，泄槽段未出现水流溢出的现象，末端消力池消能效果明显，冲坑深度大大改善。

［1］ SL 228—2013，混凝土面板堆石坝设计规范［S］.

［2］ SL 253—2000，溢洪道设计规范［S］.

［3］ SL 155—2012，水工（常规）模型试验规程［S］.

责任编辑 吴 昊

2016-04-12

陈 勇 （1975-），男，高级工程师，主要从事水工结构设计工作。