洋河水库溢洪道水工模型试验研究

傅长锋，季保群 ，韩李明，杨胜慧，徐发新

（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250；2.秦皇岛市洋河水库管理处，河北 秦皇岛 066300）

我国大型水库溢洪道多采用水工模型试验方法，验证溢洪道整体布置和泄流能力及消能防冲效果等，近几年修建、改扩建的溢洪道水力条件又多存在水流条件差、河道抗冲刷能力低等不利因素，所以，水工模型试验在溢洪道整体布置和方案选择上显得越来越重要。杨必娴，冉海林［1］通过水工模型试验对马鹿水库溢洪道设计方案的合理性进行了评价，并根据试验成果对溢洪道引渠段、陡坡泄槽段及消力池体型进行优化。吴亮，牧振伟［2］通过水工模型试验，对KLBL水电站溢洪道挑坎体型进行了改进优化，提出采用双曲扩散挑流鼻坎体型。张开玉［3］通过建立荔波平林水电站水工模型，对溢洪道运行的水力特性和体形结构进行研究，优化原有设计提出预防和控制措施。简鸿福等［4］采用模型试验验证和公式推导相结合的方法，研究了军民水库驼峰堰的过堰流态、动水压强分布和泄流能力等水动力特性。诸多的试验研究为溢洪道方案设计提供了技术支持，不仅减少了工程投资，更重要的是提高了水库工程的安全性。

洋河水库除险加固工程溢洪道［5］采用低实用堰堰型，引水渠布置在弯道上，下游采用收缩泄水陡槽以减少占地，出口采用挑流效能，溢洪道整体布置和水流边界条件相对复杂。通过建立水工模型，模拟部分库区、溢洪道引渠、堰体、泄水陡槽及挑流鼻坎结构，研究溢洪道的泄流能力、陡槽水面线、挑流鼻坎体型及下游冲刷坑安全等水力学问题，为进一步优化溢洪道整体方案设计提供了技术支持。

1 工程概述

洋河水库为大（2）型水库工程，坝址位于河北省秦皇岛市洋河干流上，控制流域面积755km2，总库容3.66亿m3。水库以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉及发电等综合利用任务。水库枢纽由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水隧洞、西干渠放水洞、水电站及引青济秦供水工程进水口等建筑物组成［1］。溢洪道位于拦河坝左侧，为开敞式。由上游引水渠段、闸室段、陡坡泄槽段、挑坎段、尾渠段组成。水库工程为Ⅱ等工程，设计标准为100年一遇洪水，溢洪道限泄流量500m3/s；校核标准为2000年一遇洪水，溢洪道最大下泄流量4476m3/s。

引水渠段：全长约474m，桩号从引水渠进口至闸室为Y0-474～Y0+000。 其中，Y0-074～Y0-020为弯道段，弯道中心半径140m。引水渠底高程为53.00～51.50m，底宽126～70.5m；引水渠为裸露强风化花岗岩，局部破碎处采用浆砌石防护。

闸室段：闸室为钢筋混凝土结构，全长24m。闸室溢流堰总宽62.5m，共5孔，每孔净宽12.5m。中墩墩厚2.0m，墩头采用直径为2m的半圆形；溢流堰采用驼峰堰，堰顶高程53.51m，设5扇弧形钢闸门，闸门底位于堰顶最高点下游，高程为53.41m，支绞门轴设计高程60.41m。

陡坡泄槽段：全长120m，陡坡段起点高程50.31m，为矩形断面，渠底净宽由70.5m对称收缩至50m，收缩角度为5.85°，收缩段长100m；为使水流保持平顺，后接20m长的等宽段，纵坡1/50。

挑坎段：挑坎段与陡坡泄槽段末端连接，包括渥奇曲线段和挑流坎段，初始设计方案的曲线段长26.50m，抛物曲线公式y=0.01x2，挑流段长34.74m，反弧半径45m，挑坎高程43.59m，挑角为26°。

尾渠段：尾渠段底宽70m，起点高程38.31m，平均河底高程35.0m，纵坡1/400，全长420m。

2 模型设计与测试手段

2.1 模型范围与相似准则

模拟范围包括上游部分库区、溢洪道上游引渠、闸室段、泄槽段、挑流消能段、下游滩地与洋河河道。即从闸室上游至库区，长约500m，到挑流坎下游至洋河主河道，长约800m。正态模型比尺为1∶65［6］。按重力相似准则且满足几何相 似

2.2 模型设计与测试方法

工程建筑物及地形数据采用文献［5］总体平面布置图。溢洪道上游引渠采用浆砌石护面，平均糙率为0.0225，对应模型糙率为0.0112，采用水泥砂浆抹面制作，糙率控制在0.011～0.012之间；闸室段、泄槽段、挑流段为混凝土抹面，平均糙率为0.0155，对应模型糙率为0.008，采用有机玻璃制作，糙率控制在0.008～0.009，略大于实际值；上下游河道地形及铅丝石笼防护区，平均糙率0.03，对应模型糙率为0.0149，采用粗糙水泥抹面，糙率控制在0.014～0.015，可基本满足模型与原型的糙率相似。

本研究的主要量测对象包括压强、流速、流量、水位等参数。试验中采用荷兰Delft水力试验中心的P-EMS二维电磁流速仪量测沿程流速，量测精度0.005m/s。同时在上游有压圆管段安装电磁流量计，量测精度0.5%，下游安装有快速阀门，以精确控制进水流量。模型上下游沿程布置水位测针，量测精度0.1mm。

2.3 下游动床冲刷料选择

溢洪道挑坎下游消能区，采用动床模拟基岩冲刷，挑流水舌下游水垫冲刷深度采用式（1）计算，综合冲刷系数，取K=1.25，与设计值1.2相比偏于安全。

冲刷系数K值与抗冲流速V之间满足式 （2），根据冲刷系数的取值，换算得到本次试验的基岩抗冲流速指标为8.8m/s。

基岩抗冲流速与基岩散粒体冲刷直径的关系，满足式（3），根据模型试验比尺换算得到动床冲刷散粒体粒径为2～5cm，平均粒径3cm。

溢洪道挑坎下游消能区地形初始高程取35.0m。

3 溢洪道泄流能力及消能效果分析

3.1 溢洪道泄流能力验证试验及成果分析

溢洪道泄流能力试验数据如表1，特征库水位溢洪道泄流能力计算值与试验值如表2。

表1 溢洪道敞泄泄流能力试验结果

表2 特征库水位～溢洪道泄流能力计算值与试验值对比

溢洪道泄流能力通常采用综合流量系数m′表示，包含了上游库区地形、引渠长度、堰面曲线、侧收缩、闸孔开启方式等条件的影响，其值采用式（4）进行计算：

式中 Q为流量（m3/s）；H为上游水位（m）；B为孔口总宽（m），取62.5m；H0为溢流堰顶高程（m），取53.51m。

溢洪道综合流量系数拟合结果如图1，其拟合曲线表达式为：

图1 溢洪道流量系数拟合结果

将式（5）代入式（4）得到溢洪道上游水位～流量的经验关系曲线，如图2。

图2 上游水位与泄量拟合关系曲线

3.2 溢洪道消能冲刷试验研究

3.2.1 出口体型初始设计方案试验结果

溢洪道出口体型初始挑坎曲线如图3，反弧段半径45m，挑角26°，挑坎高程43.59m，上游渥奇曲线方程为y=0.01x2。挑流冲刷试验工况如表3，消能区下游为急流流态，河道水位对于消能区水垫深度无影响。

图3 溢洪道出口段体型优化方案

表3 溢洪道出口体型方案试验研究工况

试验表明：随着泄洪流量的增大，溢洪道出口水流挑距从11m增大到33m，下游冲刷区从出口下游5～20m，下移至15～110m。随着泄洪流量增大冲刷坑深度也逐渐加深，在校核（洪水频率0.05%）泄洪流量4476m3/s条件下，冲坑最低点高程11.7～12.0m，较初始高程35.0m、冲深约23m，两岸边墙附近最低冲刷高程19.0m，冲深约16m。

试验表明：泄量从0逐渐增大到500m3/s时，挑坎反弧内形成水跃状横轴水流，水流沿挑坎自由跌落，不能挑射。试验还观察到当挑坎内无水时，泄量在500m3/s时下泄水流在惯性作用下可以挑出去，形成挑流（泄量500m3/s定义为最小起挑流量），此时测得挑距为11.5m。

3.2.2 出口体型修正方案试验研究

鉴于在中小流量下，溢洪道水流无法正常起挑，需对出口体型进一步优化，先后进行了28°，18°，10°等3种挑角进行敏感性试验，最终提出了出口体型修正挑坎曲线，如图3。

试验方案中，反弧段底弧半径由初始方案的45m增大到90m，出口挑角由初始的28°减小到10°，上游渥奇段曲线方程由初始的修改为，出口高程仍维持在43.59m。该方案具有两个特点：①出口反弧段曲线平顺，泄槽水流水平方向动量增大，保证在小流量条件下亦可起挑；②渥奇段曲线抬升，可避免在小流量条件下出现局部负压的问题。敏感试验结果表明，该体型方案在泄洪流量200m3/s时，水流均能正常起挑，具体流态如图4。

图4 上游水位58.22m，泄洪流量200m3/s，溢洪道出口流态

将出口体型优化方案与初始方案冲刷数据汇总如表4。两者对比结果表明：

（1）两种方案在坎下消能冲刷区的位置大致相同，分布范围在坎下5～110m。

（2）在500m3/s与1000m3/s洪水条件下，消能区冲坑底部高程31～32m，两侧边墙冲刷底部高程34～35m，上述数据可作为挑坎与边墙基础防护设计参考依据。

（3）在5孔全开，设计流量3236m3/s条件下，优化方案冲坑底部高程22m，较初始设计方案抬升2m，在校核流量4476m3/s条件下，优化方案冲刷底部高程17m，较初始设计方案抬升5m。优化效果明显。

表4 两种体型方案不同泄洪条件下的消能冲刷特征值

4 结语

（1）校核洪水工况下，溢洪道泄流能力试验值与设计值相比偏小1%左右，设计采用泄量基本安全可靠。

（2）溢洪道出口挑流体型初始方案，在小流量工况下，出口反弧段出现壅水现象，水流无法正常起挑；出口挑角调整为10°，反弧半径增大到90m，同时渥奇段曲线适当抬升，在中小流量条件下，水流可顺利起挑。溢洪道出口体型优化后，在小洪水条件下，水流挑距比初始设计方案增大5～10m，在大洪水条件下，水流挑距基本与初始方案相当，分布范围在坎下5～110m。

（3）溢洪道出口体型优化方案，在水流起挑与下游冲刷两个方面，均优于初始体型方案，故推荐设计采用。