某水库溢洪道优化设计模型试验研究

徐高瑞

（新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州昌吉市努尔加水库建设管理处，新疆 昌吉 831100）

1 工程概况

某新建水库的主要任务是城市供水，同时兼具防洪和下游农业灌溉条件的改善，设计库容为1.6亿m3，工程等别为Ⅱ等。水库的永久性建筑物主要包括大坝、副坝、溢洪道和输水设施，水库大坝为混凝土重力坝，最大坝高51.60m，设计洪水为百年一遇，校核洪水为千年一遇。水库预计2018年开工建设，2020年10月全部完工。溢洪道设计在大坝右岸，全长663.53m，主要由引渠段、控制段、泄槽段、挑坎段和出水渠段组成，其工程布置图如图1所示。其中，溢洪道进口为三段弧门控制，控制段为迷宫堰设计，泄槽段分为两级，每级由渐变段和等宽段两部分组成，挑流段采用圆弧曲线，挑角 27°。

2 模型制作

图1 溢洪道工程布置简图

试验中依据重力相似准则进行试验模型设计，比尺为1：60[1]。模型的制作范围包括高程680.00m（黄海高程，下同）以下库区地形，溢洪道所在的大坝右岸645.00m高程以下，左岸625.00m高程以下的河道地形。为了拟合混凝土糙率，溢洪道的引渠段、控制段、泄槽段和挑坎段均采用有机玻璃制作，误差不超过1%[2]，其余部分均采用PVC板材制作，误差不超过2%[3]。在溢洪道的出口挑坎段的护坦末端设置长度为65.00m的矩形冲坑。

试验过程中使用刻度尺测量水深，压强使用ZY-31测压管测量，流量则采用宽薄壁量水堰测量，试验流速采用毕托管测量。在溢洪道的控制段、泄槽段以及挑坎段设置71个测压孔[4]。

根据水库设计资料，本次模型试验的工况如表1所示。

表1 试验工况设计补上溢洪道消能工况的试验数据

研究过程中按照上述设计制作好溢洪道试验模型，并在模型上布置好压强和流速测点，然后在不同工况下展开模型试验，并测量和记录相关参数[5]。

3 设计方案试验结果与优化

3.1 设计方案试验结果

利用模型试验的方法对原设计方案下的溢洪道泄流能力、水流的流速、流态和压强等水力特征进行试验，结果显示：

原设计方案的溢洪道泄流能力不能满足设计要求，在设计水位条件下，实测流量为259.95m3/s，比设计值356.11m3/s小27.00%；在校核洪水条件下，试验实测值为627.92m3/s，比设计值821.47m3/s小23.56%。

由图2所示的设计方案溢洪道水面线图可知，溢洪道泄槽段的一级泄槽和二级泄槽桩号0+381.057～0+456.112段边墙高度较低，在设计洪水条件下富余度明显不足，在校核洪水条件下甚至有部分区域存在水流溢出，说明边墙高度不能满足过流要求。

原设计方案的溢洪道流速在各种工况下均呈现出沿程增加的特点，且变化比较平缓，最大流速出现在挑坎部位，最大流速为19.28m/s，在迷宫堰的下游宫室部位存在较小的负流速现象，其余部位流速均为正值。

图2 设计方案溢洪道水面线图

从底板压强来看，在迷宫堰的背坡面部位存在比较明显的负压区，由于负压区的存在，会诱发严重的水流空化现象，不利于堰面的安全稳定[6]。溢洪道其余部分的压强均为正值，但是压强的起伏变化比较显著。

3.2 原方案优化设计

针对模型试验中暴露出的溢洪道原设计方案的缺陷与不足，结合工程的具体特点以及相关工程经验和研究成果，对原设计方案进行如下优化改进[7，8]：增加迷宫堰的总宽度，由原来的46.00m增加至52.00m；延长陡坡段的一级泄槽末端的长度，由原来的187.00mm增加到200.00m，其余结构桩号顺延；增加溢洪道泄槽段的一级泄槽和二级泄槽桩号0+381.057～0+456.112段边墙高度，由原来的4.00m增加至6.00m；减小泄槽进口的宽度，由原来的52.00m收窄至46.00m；挑流段的挑流鼻坎长度由原方案的5.00m增加至10.00m。

4 优化设计方案试验结果与分析

4.1 库水位与泄流量之间的关系

按照优化方案重新制作模型并在不同工况下进行试验，获得如表2所示的试验值与设计值。由表中的结果可知，在溢洪道结构设计优化之后，由于堰宽的增加，过流能力明显提高，在不同工况下试验流量值均大于设计值，说明溢洪道结构优化后的过流能力完全满足设计要求。

4.2 水流流态

表2 优化方案库水位与泄流量试验结果

模型试验过程中观察不同工况下的溢洪道各部位水流流态，当库水位高于堰顶的674.00m高程时，水流通过溢洪道引水渠沿着控制段迷宫堰下泄，在下游宫室内受到侧堰水流收缩、碰撞，产生紊动流向下游泄槽段，并以成股交错的急流状态经过一级和二级泄槽，在二级泄槽下游由挑流坎挑射出去，在库水位为674.83m，下泄流量大于177.58m3/s时，挑流坎水流开始起挑，并且随着水库泄流量的增加，水流的挑射逐渐增加。试验过程中测定，在工况1，即设计洪水条件下，挑射水流的最大挑距为26.65m，在校核水位工况下，挑射水流的最大挑距为48.08m。当水库以小流量泄洪时，出水渠段水流均匀，流态平稳，当大流量高水位泄洪时，水流紊动比较明显，挑距较长，因此将大量泥沙冲刷至出水渠外。

4.3 沿程水深

图3 优化设计方案溢洪道水面线图

在试验过程中测量了溢洪道在两种不同工况下的沿程水深，获得如图3所示的优化设计方案的水面线图。从实测结果来看，各断面的实测最大水深均明显小于对应部位的边墙高度，说明边墙高度满足过流要求。

4.4 底板压强

利用模型上布置的测压孔，对优化方案条件下的溢洪道各部位压强进行测试，根据实测数据绘制出图4所示的溢洪道各部位压强分布图。由图可知，在各工况下，仅有迷宫堰部位的一个测压孔出现负压值，为下泄水流的交错碰撞产生。由于负压的数值较小，不会对迷宫堰的堰面产生明显的不利影响。其余部分沿程压强均为正压，除了二级泄槽与挑流坎衔接部位由于水流受到明显的向心作用而产生压强突变之外，其余部位压强的变化十分平稳。

图4 溢洪道各部位压强分布图

图5 设计工况溢洪道各段流速对比

图6 校核工况溢洪道各段流速对比

4.5 流速分布

在模型试验过程中，对不同工况下的沿程流速进行测定，根据测定结果绘制出如图5和图6所示的不同工况下沿程流速的优化方案与原方案的对比结果。由图可知，两种不同工况下，迷宫堰段的最大流速为6.0m/s，一级泄槽和二级泄槽的断面最大流速分别为10.0m/s和18.0m/s左右，流速最大的部位为挑坎段，其断面最大流速在20.0m/s左右。总体而言，优化方案和原设计方案相比，溢洪道各段的流速值相差不大，根据相关研究成果和工程经验，该流速不会对溢洪道结构造成明显的不利影响。

表3 泄槽段水流空化数估算结果

表4 最深冲点特征值

4.6 空化数估算结果分析

根据相关研究成果和工程经验，溢洪道陡坡段是最容易发生空化空蚀破坏的部位，因此，研究中针对优化设计，利用实测数据对不同工况下的溢洪道容易发生空化的二级泄槽段和挑坎段的水流空化数进行估算，估算方法利用的是《水力计算手册》中给出的方法，估算结果如表3所示。由计算结果可知，水流空化数呈现出沿泄槽不断减小的趋势，二级泄槽段水流空化数较小。因此，在施工过程中应该加强工程质量管理，保证施工平整度，降低泄槽段遭受空化水流的破坏作用。

4.7 下游冲刷试验

为了进一步研究挑流消能效果，观测了挑流坎下游的冲刷情况，结果如表4所示。由表中的结果和下游冲刷形态可知，冲刷最深点与出水渠进口有相对富裕的位置使挑射水流全部落入冲刷坑而不淘刷出水渠进口位置底部，不会对工程的稳定运行造成明显的不利影响。

5 结语

（1）某水库溢洪道原设计方案的下泄流量较设计数值严重偏小，不能满足泄洪要求；泄槽段部分边墙高度较低，不能满足过流要求；在迷宫堰的背坡面部位存在比较明显的负压区，不利于堰面的安全稳定。

（2）针对模型试验中暴露出的溢洪道原设计方案的缺陷与不足，结合工程的具体特点以及相关工程经验和研究成果，对原设计方案进行优化，并根据优化方案重新制作模型进行试验。

（3）优化方案条件下，溢洪道水流流态明显改善，溢洪道的过流能力和边墙高度满足过流要求，沿程基本无负压，水流空化数均在0.5以上，空化影响可以忽略不计，故优化后的方案完全满足设计要求，建议在工程设计中采用。

（4）在优化方案下，各种工况的下泄水流均可以在挑流坎后形成挑射水流，且全部进入冲刷坑，不会对工程运行造成不利影响；鉴于下游水流流速较大，仍旧会对下游河床造成一定冲刷，建议在工程设计中加强挑流鼻坎出口段河床的防护。