前坪水库建筑物合理性优化布置试验及分析

赵雪萍，赵玉良，李宜伦，李松平，李磊，崔洪涛

(1.河南省水利科学研究院，河南 郑州 450003； 2.河南省科达水利勘测设计有限公司，河南 郑州 450003；3.河南省水利工程安全技术重点实验室，河南 郑州 450003； 4.中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北 武汉 430074)

随着中国特色社会主义现代化建设进入新时代，国家提出继续深化供给侧结构性改革，要加速重点水利工程建设，充分发挥水利建设投资的拉动作用，这势必会加快我国重大水利工程的建设步伐。

前坪水库是一座以防洪为主，兼顾灌溉、供水和发电的大型水库，工程总投资44.6亿元，控制流域面积1 325 km2。前坪水库的修建不仅能极大地提高北汝河和沙颍河的防洪标准，而且能有效保护其下游二广高速公路、宁洛高速公路、焦枝铁路等交通设施的安全。而水库建筑物布置得是否合理对水库防洪能力有较大的影响，所以，对前坪水库建筑物进行合理性优化布置就显得尤为重要。

1 工程概况

河南省前坪水库枢纽工程位于洛阳市汝阳县城以西9 km的前坪村，是国家172项重大水利工程建设项目之一，总库容5.93亿m3，为Ⅱ等大(2)型工程。水库泄水建筑物主要由泄洪洞、溢洪道、输水洞、灌溉闸、退水闸等组成。溢洪道布置在大坝左岸，总长415 m，引水渠长252 m，闸室长40 m，泄槽段长123 m。闸室结构形式为开敞式实用堰，堰顶高程为403.00 m，总共有5孔，每孔净宽为15 m，闸室长度40 m、宽度87 m，下游为泄槽段和消能段，采用挑流消能。泄洪洞总长671 m，进口洞底高程为360.00 m，控制段采用闸室有压短管形式，闸孔尺寸为6.5 m×7.5 m(宽×高)，洞身采用无压城门洞型隧洞，断面尺寸为7.5 m×8.4 m+2.1 m(宽×直墙高+拱高)，洞身段长度为506 m，出口消能方式采用挑流消能，前坪水库枢纽工程平面布置如图1所示。

图1 前坪水库枢纽工程平面布置图

为验证前坪水库泄水建筑物原设计体型布置的合理性，本文采用几何比尺λL=90的整体正态模型试验，分析各泄水建筑物的水力特性，并针对存在问题的原设计方案提出建筑物体型优化的设计方案，体型优化后的建筑物的试验结果可为该工程的设计和运行管理提供可靠的理论依据。

2 模型试验研究

2.1 模型的制作

按弗劳德定律设计模型，模型几何比尺λL=90、流速比尺λV=9.487、流量比尺λQ=76 843、糙率比尺λn=2.117、时间比尺λt=9.487。根据设计资料，原河道糙率n为0.035～0.038，依据阻力相似准则，模型糙率应控制在0.017～0.018[1]范围内。故模型河道采用水泥粗砂浆粉面拉毛；溢洪道和泄洪洞进出口均用水泥砂浆抹制成净水泥表面。原型泄洪洞及溢洪道均为混凝土衬砌，糙率值取0.015[2]，按规程要求[4],模型糙率为0.007 1，因有机玻璃的糙率为0.007～0.008[3]，故泄洪洞进口及洞身和溢洪道闸室及泄槽均用有机玻璃制作。试验所有仪器设备均符合《水工(常规)模型试验规程》(SL 155—2012)[4]的要求。

2.2 试验方案

试验共分为3种特征工况：①50年一遇洪水，库水位417.20 m，泄洪洞单独敞泄；②500年一遇设计洪水，库水位418.36 m，泄洪洞和溢洪道联合敞泄；③5 000年一遇校核洪水，库水位422.41 m，泄洪洞和溢洪道联合敞泄。

3 水流特性试验结果与分析

水流特性试验是定床试验。模型试验范围：上游取坝轴线向上1 200 m，下游取坝轴线向下1 000 m。

3.1 泄流能力

泄洪洞泄流能力试验结果见表1。由表1可知：在工况①时，泄洪洞实测泄洪流量为1 391 m3/s，比设计值1 334 m3/s大57 m3/s，超泄4.27%；在工况②时，泄洪洞实测泄洪流量为1 399 m3/s，较设计值1 350 m3/s大49 m3/s，超泄3.63%；在工况③时，泄洪洞泄洪流量为1 451 m3/s，较设计值1 402 m3/s大49 m3/s，超泄3.50%。此试验结果表明，泄洪洞的泄流能力满足设计要求。

泄洪洞和溢洪道联合应用时，泄流能力试验结果见表2。由表2可知：在工况②时，泄洪流量为10 755 m3/s，较设计值9 998 m3/s大757 m3/s，超泄7.57%；在工况③时，泄洪流量为14 951 m3/s，较设计值13 686 m3/s大1 265 m3/s，超泄9.24%。此结果说明，泄洪洞的泄流能力满足设计要求。

表1 泄洪洞泄流能力试验结果

表2 溢洪道和泄洪洞联合应用时泄流能力试验结果

3.2 水流流态及流速

在500年一遇设计洪水时(工况②)，库区水面平稳，溢洪道进口右岸受导墙影响产生绕流，并延续到闸室右侧边孔，这在一定程度上会影响溢洪道的泄流能力，进口桩号0—050处流速约4.63 m/s。引渠左岸水流流态好，水流经过闸室以后在闸墩尾部形成水翅，经泄槽由挑流鼻坎入下游河道，挑射水流在尾水中发生激烈的冲击、扩散，挑流鼻坎处流速约12.69 m/s。泄洪洞进口水流平顺，水流经洞身流出经扩散挑射入下游河道，但由于扩散角和挑射角度的问题，扩散水流部分打在两侧的护坡上，致使泄洪洞出口水流不是很顺畅。由于对面山体的阻挡，经挑射下泄的大部分水流遇山体阻挡后沿河道向右直接横向流入下游主河道，流速约为10 m/s；一小部分水流遇山体阻挡后流向左侧泄洪洞进口下游，产生逆时针漩涡，水流旋滚剧烈。下泄水流在流入主河道前，右侧部分水流受右岸凸出山体的阻挡，产生顺时针漩涡，漩涡流速3.04 m/s。

在5 000年一遇校核洪水时(工况③)，水流流态和500年一遇设计洪水时的基本一致，如图2和图3所示。但闸室进口右侧进流受绕流影响更加明显，并延续到闸室右侧两孔。下游河道流速约10.7 m/s，漩涡流速3.59 m/s。

图2 工况③时溢洪道进口水流流态

图3 工况③时下游河道水流流态

3.3 动水时均压力及沿程水面线

溢洪道共埋设测压管16个，泄洪洞共埋设测压管16个。3种工况下，溢洪道和泄洪洞全程均无负压。

试验采用固定测针和活动测针相结合来观测水位，根据试验观测结果可知，各特征工况下水流都没有超过边墙，说明边墙高度设计合理。由于溢洪道闸室进口右侧受绕流影响，试验选取桩号分别为0—020、0—050和0—070的3个断面来测量进口横向水流，每个断面顺水流方向分为左、中、右3个测点，左、右测点分别是断面最左和最右点，中间测点处于断面中轴线位置，试验结果见表3。

表3 溢洪道进口断面横向水面线

根据表3可知：水位左高右低，且沿水流方向水位逐渐下降；主流偏左，断面横向水位差沿水流方向逐渐增大；500年一遇设计洪水时，桩号0—020断面横向最大水位差约1.91 m；5 000年一遇校核洪水时，桩号0—020断面横向最大水位差约2.36 m。

4 下游消能冲刷试验结果

图4 原、模型河道覆盖层颗粒级配曲线对比图

试验工况①时，泄洪洞的挑距为43.80 m，泄洪洞冲坑最深点高程为329.52 m；溢洪道的挑距为103.20 m，溢洪道冲坑最深点高程为322.75 m。

试验工况②时，泄洪洞的挑距为45.98 m，泄洪洞冲坑最深点高程为329.20 m；溢洪道的挑距为114.80 m，溢洪道冲坑最深点高程为322.70 m。冲刷坑形状如图5所示。

试验工况③时，泄洪洞的挑距为47.88 m，泄洪洞冲坑最深点高程为327.40 m；溢洪道的挑距为120.95 m，溢洪道冲坑最深点高程为316.40 m。冲刷坑形状如图6所示。

图5 工况②时的下游冲刷坑

图6 工况③时的下游冲刷坑

5 体型优化试验结果

5.1 溢洪道进口体型优化方案

试验发现，溢洪道进口右侧受导墙影响产生绕流，导墙内外水位落差大，溢洪道闸前水位左高右低，断面横向水位差较大，在一定程度上影响溢洪道的泄流能力[8-10]。为此，对溢洪道进水渠右侧导墙进行优化[11-13]，通过多方案的对比，最终选取了以下两种修改方案为推荐方案，分别如图7和图8所示，图中R为圆弧面半径，α为圆弧面走向转角，a、b分别为椭圆弧面的长、短半轴。

图7 方案一(直线L+3段圆弧O1、O2、O3)

图8 方案二(直线L+1/4椭圆O)

体型优化试验结果分别如图9和图10所示。图9和图10的试验结果表明，2种修改方案下溢洪道进口右侧水面波动较小，回流区面积大幅减小，进口断面横向水位差明显减小，水流流态比原方案的明显改善，且方案一和方案二在5 000年一遇校核水位的下泄量比原方案的分别增加27 m3/s和22 m3/s。

图9 方案一的试验结果

图10 方案二的试验结果

5.2 泄洪洞出口体型优化方案

由于扩散和挑射角度[14]的问题，泄洪洞出口水流不是很顺畅，扩散水流部分打在两侧的护坡上，为此进行了优化试验。原方案反弧半径R=42.5 m、挑射角为27.4°、挑流鼻坎高程356.51 m。通过多次比对试验，修改方案反弧半径R=16 m、挑射角为33.27°、挑流鼻坎高程351.75 m。试验结果表明，优化后的方案在横向和纵向较充分地分散了挑射水流，使单宽流量减小，也减轻了挑射水流对下游河床的冲刷。

6 结论和建议

文中通过水工模型试验研究了前坪水库各泄水建筑物的水力学特性，验证了建筑物原设计体型布置方案的合理性，并提出了优化的泄水建筑物进出口体型。通过冲刷消能试验研究发现，水流对下游山体造成一定的冲刷，建议对泄水建筑物出口的下游山体做好防护措施。

文中的研究成果可为前坪水库工程的设计和运行管理提供可靠的理论依据，同时对类似工程具有一定的参考价值。