清河水库第二泄洪洞进口闸中墩体型优化研究

金树川

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

清河水库位于辽宁省铁岭市清河区境内的清河下游，是一座兼具供水、防洪、灌溉、旅游等多种功能的综合性大型水利工程，水库建成以来，一直发挥着显著的经济效益和社会效益[1]。清河水库坝址以上控制流域面积2376km2，总库容9.71亿m3，水库的泄洪设施包括6孔溢洪道和泄洪洞，其中泄洪道的最大下泻流量为4210m3/s，泄洪洞的最大下泄流量为300m3/s[2]。

2005年8月上旬，辽河流域普降大到暴雨，清河流域发生超过百年一遇标准的特大洪水[3]。在洪水过后，清河水库管理处的相关技术人员对本次洪水过程进行分析计算，结果显示校核洪水位平坝顶，面对比1953年设计更为恶劣的洪水，有必要寻求第二泄洪工程。清河发电厂在2005年进行节水升级改造之后，原有的以清河水库为冷却池的大循环冷却系统停止使用，因此清河水库管理局拟将该系统的回水隧洞改造设计为第二泄洪洞。

2 模型试验设计

2.1 模型试验设计

鉴于水流形态的复杂性和多变性，至今尚无研究水流运动规律的良好方式。因此，无论是传统的经验公式还是基于现代计算机信息技术的数学模型分析法，均有自身的不足和局限[4]。所以，大型水利工程设计，不仅需要利用理论公式设计，还需要利用水工模型进行验证。水工试验设计不仅可以解决理论研究的不足，还可以验证水工布置的合理性，从而用于工程实践。

结合清河水库第二泄洪洞的改建工程实际，本次模型试验设计应该满足SL155- 95《水工(常规)模型试验规程》[5]和SL158- 95《水工建筑物水流压力脉动和流激震动模型试验规程》[6]等相应的水工设计规范要求。此外，模型应该按照佛汝德相似定律设计，以满足重力和阻力相似性条件。

2.2 模型的制作

根据水工模型制作规范的相关要求，模型的几何比尺选定为35。进口压力段和洞身部分分别采用有机玻璃制作，厚度分别为10mm和8mm，糙率为0.008，和原型0.014的糙率大致相当。泄洪洞的出口下游河道利用水泥砂浆粉制成，利用天然砂模拟河道的基岩和覆盖层，出口河床的基岩采用抗冲流速法进行模拟，模拟的长度和宽度暂定为500m和300m，模拟材料为散粒料[7]。

3 中墩的体型设计试验研究

3.1 直立式中墩

3.1.1 椭圆形中墩

对上述中墩设计进行模型试验，观察显示水流流态随着水库蓄水位的提高而不断变化，且在各级特征水位下，中墩的尾部均产生了强烈的水翅，并冲击泄洪洞的顶部，水翅跌落处的两侧水面雍高明显，中间水面下凹，水面紊动变化十分强烈。此外，随着库水位的不断升高，水流紊动变化更为剧烈，水流流态进一步变差，并与中墩的壁面发生分离。总之，采用传统的椭圆形中墩设计，会致使两股高速水流相互碰撞，造成巨大的水流冲击力，从而产生具有显著危害性的水翅，使得下游水流的流态极不稳定。

3.1.2 流线型中墩

椭圆形中墩的模型试验结果显示，进水塔段对水流的阻碍作用不大，水流形态较为平顺，但是中墩尾部出现了严重的水流对冲，水流在巨大的冲击力的作用下形成水翅，流态较差。为解决椭圆形中墩造成的水流形态不稳定问题，将中墩的尾部加长13m，长度由原来的73m加长到86m，设计为流线型中墩体型，并在桩号为0+056.96～0+061.96范围内增设半径为15.41m的圆弧收缩型延长段。

对上述设计进行模型试验，试验结果显示流线型中墩体型水流流态得到了明显改善，主要表现为水流的相互撞击作用明显减弱，在3种不同的水库水位下，该设计均能明显改善中墩墩尾的水流流态。但是，水面紊动现象仍然比较明显，在水库水位较高情况下，局部仍然会产生水翅。

3.1.3 直立中墩设计存在的问题

模型试验结果显示，无论是椭圆形还是流线型直立中墩，均会在中墩的墩尾部位产生不同程度的水翅，并且会随着上游水库水位的升高而增强，同时造成下游水面紊动变化，水流形态较差。分析其主要原因为：在上述两种方案中，采用的均是传统的直立型中墩，其尾部断面的高程相等，当中墩左右的两股水流在中墩尾部交汇时，由于水流的对冲作用而产生强大的冲击力，在这种冲击力的作用下，两股水流的冲击荷载均会集中于同一断面，这是水翅产生的根本性原因。另一方面，水流在中墩尾部附近水面，先是急剧下降再剧烈反弹，从而引发强烈的水翅。综上所述，中墩尾部的水流对冲和水面下凹是水翅产生的两个主要原因。

3.2 能量分配型中墩设计

上述模型试验的结果显示，传统直立式中墩，会产生不同程度的水翅现象，其主要原因是中墩尾部的水流对冲和水面下凹。因此，有必要对中墩的结构体型进行再次优化，尽量减少水流对冲作用，改善水流流态。

3.2.1 模型设计的思想和方案

基于上述分析，在传统直立式中墩的基础上，将尾墩部位设计为能量分配型中墩，以改变中墩两侧水流的不同交汇位置，尽量消减水流的对冲作用，从而解决中墩尾部水翅过高的问题。其基本设计思想为：将中墩中轴线的水平面投影定义为x轴，水流方向为正方向，以垂直于x轴的方向为y轴，其中竖直向上的方向为正方向，优化后的中墩由上下两部分组成，上部为传统的直立型中墩，下部改为斜尾墩，中墩的整个尾部沿X轴方向自上而下逐级收缩，最终收缩至中墩的底部。上述设计的目的是将中墩左右两侧的水流自上而下逐级汇合，使其交汇处处于不同高程的断面上，从而实现水流的均匀分配和水翅分级承担，有效改善水流形态。

能量分配型中墩的上部和下部结构均为椭圆曲线方程，其基本控制参数如图1所示。其中，曲线A1A2的方程为：

(1)

曲线A1A3的方程为：

(2)

式中，a—中墩上部椭圆曲线的长轴，m；b—下部W高程平面内椭圆曲线的长轴，m；c—中墩的厚度，m；k—中墩上下两部分交线的最高点与W高程之间的距离，m。

图1 能量分配型中墩基本控制参数示意图

3.2.2 能量分配型中墩的具体设计

在能量分配型中墩设计中，进水塔段的中墩体型与直立式中墩设计完全相同，将中墩的尾部加长11.24m，长度由原来的24.0m增加到35.24m。参照上节中的模型设计思想，结合上节模型试验过程中暴露出的直立式中墩的结构缺陷，将能量分配型中墩的体型控制参数初步拟定见表1的数值。

表1中墩体型控制参数数值 单位：m

模型试验结果显示，在上游水库的各级水位下，泄洪洞采用能量分配型中墩虽然也会产生水翅，但是高度明显降低，规模较小，不会接触泄洪洞的拱顶和边壁，因此不会对泄洪洞水面上部的通气造成影响，可以明显改善高速水流造成的冲击波，水流形态得到明显的改善。总之，泄洪洞采用能量分配型中墩是合理的，可以作为最终推荐方案。

4 结语

本文以清河水库第二泄洪洞为例，利用模型试验法对中墩体型优化展开研究，并获得了如下结论：

(1)根据模型试验，传统直立型中墩在尾墩合并处会产生危害性水翅，水流流态较差，会给泄洪洞安全运行造成严重危害，因此不建议使用这种体型的中墩。

(2)针对传统直立中墩尾部水翅问题，提出能量分配型中墩，模型试验结果显示能够有效分散水流冲击力，可以有效改善水翅问题，建议采用这种中墩体型。

(3)能量分配型中墩虽然在改善水流流态、消若水翅方面具有重要作用，但是结构比较复杂，建议在施工时要加强质量管控。