阳升观水库台阶式溢洪道水工模型试验研究

杜金威，王均星，张文传，郭星锐

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

20世纪80年代，随着碾压混凝土筑坝技术的迅速发展[1]，台阶式溢洪道在国内外的应用也越来越广泛。由于台阶式溢洪道具有良好的消能特性，其带来的经济效益往往是巨大的[2]。阳升观水库枢纽5号溢流坝段下游由于地形地质条件限制，若采用常规的底流式消能方案将大大增加开挖量，增加工程投资。而采用台阶式溢洪道+消力池联合消能方案，不仅能有效缩减消力池的尺寸，减少开挖，还能将大部分能量“化整为零”[3]地消杀掉，提高消能率。本文结合阳升观水库台阶式溢洪道进行了水工模型试验，分析和研究了其在3种特征工况下的泄流能力、流态、压力和消能率，为实际工程的设计和优化提供了参考。

1 工程概况

阳升观水库位于湖南省攸县县城东北莲塘坳镇，洣水三级支流(洣水～攸水～珠丽江～南水)上游，距县城直线距离约 27 km。水库正常水位420 m，死水位365 m，总库容1 526.88 万m3。溢流坝布置在河床中部的5号坝段，坝段长26 m。堰面采用两圆弧WES型曲线，堰顶高程420.00 m，溢流堰表孔设有2个边墩和1个中墩，将溢流堰表孔分成2孔，每孔净宽11.5 m，溢流堰总净宽23 m。初步设计阶段台阶式溢洪道泄槽采用等宽形式，共77级台阶，每级台阶步高1 m，步长0.75 m，消能措施为台阶式溢洪道加底流消能相结合的形式。溢流坝平面布置图和剖面图见图1。

图1 溢流坝平面布置图和剖面图Fig.1 Layout and profile of the overflow dam

2 模型制作

物理模型采用正态模型，根据重力相似原则，长度比尺定为1∶20，其余参数比尺见表1。采用长×宽×高=3 m×3 m×2 m的水箱模拟上游水库。水工建筑物部分包括溢流堰、台阶式溢洪道以及消力池均采用有机玻璃制作，有机玻璃糙率约为0.008，换算为原型则为0.013 2，与混凝土糙率(取0.014)相近，下游地形采用水泥砂浆抹面。

表1 模型比尺Tab.1 Model scales

3 水工模型试验成果与分析

本文分别对校核、设计和消能防冲三种特征工况进行了试验，如表2所示。

表2 试验工况Tab.2 Test conditions

3.1 泄流能力

溢流坝的泄流能力关系到整个水工建筑物的安全和稳定运行，因此其实际的过流能力必须满足设计要求。试验过程中，采用水位测针(精度0.1 mm)控制上游水位，待水位稳定后读取流量计读数以得到相应水位下的泄流量。除对上述3种特征水位进行泄流能力试验外，又适当补充了若干水位点，绘制水位～流量关系曲线，如图2所示。

图2 阳升观水库坝址处水位～流量关系曲线Fig.2 Stage-discharge curve at the dam site of Yangshengguan Reservoir

结果表明，其流量随水位的变化规律明显，在相同水位下的试验值要略大于理论设计值。另外，在校核、设计和消能防冲3种工况下试验实测泄流量分别为282.6、171.63和150.47 m3/s，而理论值分别为276、165和145 m3/s，超泄比率介于2%～5%之间，这说明溢流堰实际过流能力满足设计要求。3种特征工况下溢流堰泄流能力试验所测各项数据见表3。

表3 溢流堰泄流量设计值与试验值Tab.3 Design value and test value of overflow weir discharge

注：超泄比率=(试验值-设计值)/设计值。

3.2 流 态

试验结果表明，3种工况下的流态特征表现出相似的特性：水流平顺地经过溢流堰进入台阶溢洪道，台阶面的水流为稳定的滑移流[4]，每个台阶之间的水流由于受到台阶边界约束和主流拖曳作用，在台阶之间作横向旋滚运动。横向上，水流紊动发展不尽相同，这是由于中轴线附近和边墙附近的水流除了受到台阶面的扰动，还分别受到了中墩和边墙的扰动，导致中轴线附近和边墙附近的水流紊动发展比台阶面其他位置较快。在纵向上，刚进入台阶面的水流由于受到的扰动较小，紊流边界层尚未发展到水面，因此流态较为平顺。当流至一定台阶级数时，具体表现为校核工况流至第13级台阶附近，设计工况流至第9级台阶附近，消能防冲工况流至第8级台阶附近，紊流边界层高度发展到自由水面，紊流暴露在空气中，强烈紊动的水流使部分水质点能够克服表面张力和重力作用，从而离开水面，导致水面破碎，水体开始掺入空气，呈现乳白色，一直持续到末级台阶。随后经过反弧段进入消力池，池内水流均发生水跃，紊动强烈，水体掺混、翻滚，消能充分。3种工况下溢洪道的流态图如图3所示。

图3 溢洪道流态图：校核工况、设计工况和消能防冲工况Fig.3 Spillway flow pattern diagram: checking condition, design condition and energy dissipation and erosion control condition

3.3 压 力

压力作为局部能量指标，对结构安全和稳定运行有着重要的参考意义。而台阶式溢洪道由于其表面呈棱角结构，在大流量高流速条件下往往伴随着空蚀空化问题。

试验发现，在校核工况下溢流堰堰顶附近出现了负压，大小为3.139 2 kPa(约0.32 m水柱)，在水利行业标准规范[5]容许的范围(不超过58.860 kPa)之内，由此进一步说明溢流堰设计的合理性。

对于台阶面的压力测量，由于溢洪道的流动特性在横向上具有对称性，因此只在溢洪道中轴线上第16、36、56和75级台阶上布置测点，每级台阶又分别在平面和立面上布置3个测点。台阶面压力测点布置位置如表4所示。

表4 台阶面压力测点的布置Tab.4 Pressure-measuring-point arrangement on stepped surface

注：a为台阶的步高；b为台阶的步长。

分析试验结果发现，3种工况下台阶面的压力分布规律极其相似，故选用设计工况下的台阶面压力加以分析。在台阶平面上压力从阴角至阳角逐渐增大(如图4所示)，在台阶立面上压力从阳角至阴角也逐渐增大(如图5所示)，不同台阶的相同位置处压力差别不大。负压通常出现在台阶立面阳角附近，最大正压通常出现在平面上离阴角0.7倍台阶步长附近。

值得注意的是，几乎每级台阶的立面阳角附近均出现了负压，负压大小在-8.044 2～-5.689 8 kPa(约-0.82～-0.58 m水柱)之间。根据初生空化的经典理论，液体发生空化的临界压强为液体的饱和蒸汽压强[6]，而20 ℃水的饱和蒸汽压强为-98.990 kPa，远小于试验所测负压，且考虑到台阶面水体掺气充分，初步不考虑空化空蚀的影响。

图4 台阶平面压力Fig.4 Pressure on step horizontal plane

图5 台阶立面压力Fig.5 Pressure on step vertical plane

3.4 消能率

根据能量方程，消能率的计算采用如下公式[7,8]：

(1)

式中：E1、E2分别为以水头表示的上游进口断面和下游出口断面的总能量，以消力池底板为零点高程。

本文采用的能量计算断面位置分别位于上游溢流堰进口处(A-A)，台阶溢洪道末端(B-B)以及消力池末端(C-C)，如图1所示。结果表明，在台阶式溢洪道+底流联合消能方式下，3种工况的消能率都很高，分别为91.14%、92.88%、93.23%，而台阶部分的消能率分别为80.06%、81.49%、81.98%，由此可见相当大一部分能量被消杀在台阶上。各工况的台阶面和台阶+消力池联合消能率如表5所示。

表5 3种特征工况的消能率 %

进一步观察发现，台阶式溢洪道的消能率随着流量的增大缓慢减小，台阶面消杀了大部分的能量，且台阶面的消能率也具有随着流量的增大而减小的变化规律，这与前人的研究成果[9,10]相一致。

4 结 语

(1)溢流堰的泄流量试验值均大于理论计算值，由此说明阳升观水库枢纽泄水建筑物的进口和堰型的设计满足泄流要求。

(2)3种特征工况下台阶溢洪道的流态相似，均为滑移水流，流经一定台阶级数后，水流开始掺气，总体流态特征较好。而消力池内流态较为紊乱，水体翻滚、蹿升，相互掺混，水面波动剧烈，并一直延伸至下游。

(3)台阶面压力分布规律明显，在立面阳角附近出现了负压，考虑到负压量级较小，且台阶面水流掺气充分，本文初步判断台阶面发生空蚀空化的可能性很小。今后可对此问题做进一步的定量研究和分析。

(4)台阶式溢洪道+消力池联合消能率很高，3种特征工况下均超过了90%，其中台阶溢洪道的消能率在联合消能中的占比较高，台阶面消能充分，由此进一步论证了台阶式溢洪道设计的合理性。

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参考文献：

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[2] 杨 庆. 阶梯溢流坝水力特性和消能机理试验研究[D]. 成都：四川大学,2002.

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[4] Rajaratnam N. Skimming flow in stepped spillway[J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1990,116(4):587-591.

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[9] 才君眉,薛慧涛,冯金鸣. 碾压混凝土坝采用台阶式溢洪道消能初探[J]. 水利水电技术,1994,(4):19-21,25.

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