岩门子水库竖井旋流泄洪洞结构优化设计

冉 尧

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

1 工程概况

岩门子水库位于贵州省桐梓县窑匠溪下游河段，工程任务为桐梓煤电铝加工一体化园区及集镇供水。水库总库容1050万m3，最大坝高84.0m，水库正常蓄水位690.00m，死水位661.50m，正常蓄水位库容849万m3，死库容224万m3，兴利库容625万m3。水库为中型水库，工程等别为Ⅲ等，水库大坝为2级建筑物，泄洪洞、取水兼放空隧洞为3级建筑物。为了更合理地确定与工程实际相匹配的泄洪建筑物工程布置和结构体型，需通过水力模型试验对泄洪建筑物的水力学条件进行全面分析，以获得不同工况下泄水建筑物的泄流能力、泄洪形态等特征指标，为工程优化设计提供详细数据支撑[1- 2]。

2 竖井旋流泄洪洞结构设计

岩门子水库大坝为混凝土面板堆石坝，根据工程特性结合库区两岸耕地、林地情况，尤其是防护对象及其它专项设施的控制性高程，泄水建筑物最终选定为开敞式侧槽溢流进口+明渠引水道+涡室+竖井旋流泄洪洞+退水洞+消力池的设计方案。原设计竖井旋流泄洪洞上平段平面及剖面，如图1—2所示。

图1 原设计竖井旋流泄洪洞上平段平面

图2 原设计竖井旋流泄洪洞竖井段剖面

进口段为开敞式自由溢流，采用侧槽WES实用堰[3]，溢流堰宽40.0m，堰前引水渠长8.0m，宽40.0m，底坡i=0。引水道为明渠形式，长45.0m，含调整段25.0m(宽12.0m，底坡i=0)和收缩段20.0m(宽12.00～10.0m，设计底坡i=0.05)，墙顶高程与坝顶高程697.00m等高。

涡室段是使引水道水流形成稳定旋流的必要措施[4]，设计拟定直径φ=9.0m的圆体结构和涡室与引水道连接段组成。为使涡室形成旋流，连接段左侧采用1/4椭圆曲线与涡室圆弧相切；连接段右侧采用平行于引水道轴线方向直线连接，长18.46m，直线与涡室圆弧交点距椭圆曲线与圆弧交点260.5°，右侧连线段设计底坡i=0.05，涡室段总高21.3m。

竖井作为旋流消能的主要设施，同时也为其与退水洞连接段提供必要的压力水头，通过旋流作用的水流离心力，使得下泄水流形成空腔，同时增大洞壁水压力和水力摩阻、延长流程，达到防止空蚀和消能的目的[5]。经计算确定竖井直径为9.5m，总深65.69m。

泄洪洞首端为退水洞，长25.0m，退水洞进口顶部采用1∶5的压板将原泄洪洞断面缩小，经压板缩小断面后退水洞实际断面为8.0m×8.43m的矩形；泄洪洞设计断面为城门洞型，宽8.0m，高11.0m，洞长330.17m，顶拱中心角120°，设计底坡i=0.025。

消力池设于退水洞末端，采用底流消能形式，全长58.38m，宽8.0m。溢末端设消力坎，坎顶高程612.08m，消力池深4.08m，末端下游左侧设导墙将下泄洪水排入下游河道。

3 水力模型试验

3.1 试验模型设计

为便于试验中对水流流态观察、拆卸组合和优化调整，试验模型按图1—2所示结构体型采用有机玻璃组合件进行组装。为了了解泄洪建筑物泄水时压力分布情况，在其沿程特征位置布置测压管。通过全面系统的检查，确定模型中地形高程误差控制在±3mm以内，平面误差控制在±5mm以内，建筑物高程误差控制在±0.2mm以内，以保证模型和原型几何相似性，确保试验精度。

3.2 试验成果分析

根据泄洪洞设计结构体型制作好水工模型，通过模型试验观测分析不同工况下泄水建筑物的泄流能力、各测点压强测量结果[7]，见表1—2，如图3所示。

表1 泄流能力试验成果

图3 校核工况上平段及竖井壁面压力分布

表2 不同工况下各测点压强测量结果单位：9.8kN

表1—2和图3试验结果分析表明：①不同工况下泄洪洞实际泄流量均大于设计泄流量，泄流能力满足设计要求。在消力池段水流为急流，水面比较平顺，只在末端斜坡上产生壅水，池内并没有形成水跃。②试验时尝试雍高尾水，观察到当尾水雍高到625.44m高程时，在消力池中后部会形成水跃。此时，下游水位比消力池底板高约16.7m，相差较大，需对消力池方案进行优化。③水面线实测结果表明：上平段水流较为平顺，设计边墙高度满足要求。水流进入涡室后，顺利起旋，在下游壁面水位最高，无不良流态。根据观察，各工况旋流竖井内水流均旋转0.5～1.0圈后到达竖井底部，竖井壁面均被水流覆盖。消力井内水垫较浅，压坡设置较高，旋转水流落入时，消力井内水流急剧翻滚，不断掺气，剧烈波动掺气水流随后进入压坡段，致使压坡段充满大量掺气水流，清水深度极小。掺气水流翻滚充满整个压坡，致使其后泄洪洞内水面产生较大波动，水流呈跳跃式前进，同时所掺气体也会随水流流向下游而慢慢消散。④涡室上部压强较小，但是流速也较小，且随着高程降低压强迅速增大，因此不存在空蚀危害[8]。由于水流的旋转作用，壁面压力均为正值，同时水流并非均匀地布满竖井壁面，所以同一高程，竖井壁面压强并非一致。竖井底部，由于水流冲击作用，压力较大，设计需采取措施以减小底板压强。竖井出口压坡段，由于压坡较高，掺气水流未能充满压坡，故压坡上测点处压强均为0，设计优化时可适当降低压坡。

4 竖井旋流泄洪洞结构体型优化

4.1 竖井出口压坡及消力井优化

试验分析结果表明：原方案竖井出口压坡仅在校核工况下能够完全被充满，其余工况竖井压坡均处于脱空状态，无法起到调整水流流态以及控制水流流速的作用。由于岩门子水库泄洪洞进口属开敞式溢流堰，故而旋流竖井需要适应各级流量[9]。正由于需要泄放流量跨度较大，要想实现各级流量下压坡均处于充满状态且同时满足竖井泄流能力几乎是不可能实现的。故决定将消能工况(p=3.33%)作为控制工况，保证该工况下竖井出口压坡处于完全压满状态。经多次优化调整后，设计将压坡长度增加10.0m，竖井底板高程降低3.0m，可解决出口压坡处于压满状态同时又减小竖井底板压强较大问题，且该体型能满足消能防冲要求。

4.2 涡室旋流流态优化

试验中发现，不同工况下经过收缩段后均有一股较大水流直接跌落竖井底部，分析认为是由于上平段进入涡室并绕涡室旋转一圈后水体与上平段入流发生碰撞所致。根据大量竖井设计经验，在涡室内侧增设小挑坎可减弱2股水流碰撞造成的水体跌落现象[10]。若涡室挑坎末端与上平段引水道衔接角度足够小时，可实现2股水流平顺衔接。经多次优化调整，当挑坎半径R=3.00m，圆心角为72.93°时，直接跌落竖井底部的水流明显减少，2股水流衔接相对平顺，故将其作为涡室小挑坎的推荐体型。

4.3 消力池及出口导墙优化

试验过程中观察发现消力池原体型无法在池内形成有效水跃，需壅高约16.7m时才能在消力池中后部形成水跃。优化调整时考虑放弃消力池的设置，并针对出口对河床及对岸冲刷影响作评价。经多次试验调整，在天然河道有来流的情况下，泄洪洞水流不会对右岸岸坡造成顶冲，将泄洪洞底板末端与消力池尾部610.00m护坦直接通过一斜坡衔接，同时将左侧导墙调整成与右侧导墙对称的形式与河道枯期水位线连接，在大流量情况下泄洪洞水流与河道水流汇合后主流基本沿着河道中心，即使是校核工况下泄洪洞水流也不会对河道左岸造成冲刷破坏。同时，随泄洪洞流量逐渐减小，对对岸影响更趋减弱。

经设计优化后，岩门子水库竖井旋流泄洪洞上平段平面及剖面结构，如图4—5所示。

图4 优化后竖井旋流泄洪洞上平段平面

图5 优化后竖井旋流泄洪洞竖井段剖面

5 结论

为确保岩门子水库泄洪建筑物与工程实际具有较高匹配性和技术经济性，通过水力模型试验，对竖井旋流泄洪洞的泄流能力、泄洪形态等水力学条件及数值进行深入分析，并结合试验结果对泄洪洞结构体型进行优化调整，为泄洪建筑物设计提供了详实的数据支撑。

(1)在满足水库泄洪消能的同时，为解决好泄水建筑物在高山峡谷地区的布置，综合水库淹没范围、移民搬迁及下游河道防冲刷问题，结合库区两岸防护对象及专项设施控制性高程，设计采用不设闸竖井旋流泄洪洞布置方案。

(2)水力模型试验结果表明：①竖井出口压坡除在校核工况下能完全被充满外，其余工况均处于脱空状态，无法起到调整水流流态以及控制水流流速的作用；②不同工况下经过蜗室收缩段后均有一股较大的水流直接跌落竖井底部；③消力池原体型无法在池内形成有效水跃，需壅高约16.7m时才能在消力池中后部形成水跃。

(3)结合模型试验结果对泄洪洞结构体型进行调整后，各工况条件下溢流堰均能满足泄流需求，同时竖井中心空腔连续贯通、稳定，没有出现“呛水”现象，且泄洪洞出口与下游河道衔接良好。优化调整后结构体型具有较好的泄流、消能和防冲刷效果，泄洪建筑物布置及结构体型经济合理。