西藏湘河水利枢纽泄水建筑物泄流能力模型试验研究

于 凯，孙 宇，冯云龙

(南京水利科学研究院 江苏科兴项目管理有限公司，南京 210029)

1 概 述

泄洪建筑物是水利枢纽工程的重要组成部分，泄洪建筑物的泄流能力对工程的安全使用起着十分重要的作用。贾红娟等[1]通过模型试验对某水库泄洪流态进行分析，对消能体型设计提出建议；杨长春等[2-3]结合夹岩水库工程，对水库的泄洪、消能结构设计进行研究，泄流能力可满足要求；黄智文[4]结合巴利尔斯水电站工程，利用Fluent软件对溢洪道水力特性进行分析，结果与物理模型试验结果较为吻合；张军等[5]利用模型试验，对楼庄子水库的泄洪建筑物进行优化设计，优化后方案具备良好的泄洪能力；熊义贵等[6]利用模型试验对吉尔格勒德侧槽溢洪洞设计合理性进行分析，采用台阶式消能，保证了消能泄洪效果。物理模型试验是常用的科研方法，结合湘河水利枢纽工程，利用模型试验对其泄洪建筑设计可行性进行分析。

2 工程概况

湘河水利枢纽工程泄洪规模较大，百年一遇设计洪峰流量经过调洪后为1 018 m3/s，2000年一遇设计洪峰流量为1 701 m3/s，百年一遇(含百年)以下的洪水都要通过溢洪道下泄，泄洪洞和导流泄洪洞是初设阶段的主要泄洪建筑物。溢洪洞布置在河流左岸，溢洪洞轴线平面与导流泄洪洞轴线平行，轴线间距20 m，总长919.42 m，其中引水渠长135.32 m，控制段长25 m，洞身段长390 m，消力池长80 m，池后接长299.10 m的海漫。导流兼泄洪洞总长883.19 m，布置于左岸山体内发电洞左侧，由导流洞后期改造为无压泄洪洞，轴线与溢洪洞轴线平行，轴线间距20 m。

3 不同工况流速、流态及水面线

3.1 50年一遇洪水工况流速、流态及水面线

50年一遇洪水下泄流量为906.44 m3/s时，溢洪洞单独泄洪，上游库水位为4 100.38 m。上游库区水面平稳，水流进入溢洪洞进口段时右边墙有明显绕流，引水渠内形成漩涡水流不平稳，进口平均底流速5 m/s，呈现右小左大的趋势，堰顶的平均流速为11.25 m/s。出孔水流沿中墩中心线挑起形成水翅，水翅高4.8 m、长18 m。泄槽段的流速逐渐增大，水面波动较大，水流时而翻过右侧边墙。水流经过泄槽抛物线的连接处进入消力池流速较大，最大流速为27 m/s，消力池前26 m处形成急流区，后半段形成不完整水跃，消力池后部分翻滚比较剧烈最高水位高出边墙1.57 m，消能效果不够理想。海漫段水流有所波动，0+324.95 m处的最大流速为6.95 m/s，0+384.95 m处的最大流速为5.64 m/s，0+441.45 m处的最大流速为5.31 m/s，海漫出口处的流速为4.27 m/s。受左侧导堤影响，下游水流主流区位于河道中间，有利于下游防护。见图1。

图1 溢洪洞流态(50年一遇洪水工况)

3.2 百年一遇洪水下的流速、流态及水面线

百年一遇洪水下泄1 017.59 m3/s时，溢洪洞单独泄洪，上游库水位为4 101.18 m。上游库区水面平稳，当水流进入溢洪洞进水段时右边墙绕流严重，引水渠内形成漩涡水流不平稳，平均底流速5.6 m/s，呈现右小左大的趋势，堰顶的平均流速为11 m/s。出孔水流沿中墩中心线挑起形成水翅，水翅高4.8 m、长19 m。泄槽段的流速逐渐增大，水面波动较大，水流时而翻过边墙。水流经过泄槽抛物线的连接处进入消力池流速较大，最大流速为27.3 m/s，消力池前29 m处形成急流区，后半段形成不完整水跃，消力池后部分翻滚比较厉害最高水位高出边墙3 m，消能效果不够理想。海漫段水流有所波动，海漫段0+324.95 m处的最大流速为8.30 m/s，0+384.95 m处的最大流速为6.38 m/s，0+441.45 m处的最大流速为6.21 m/s，海漫出口处的流速为4.18 m/s。受左侧导堤影响下游水流主流区位于河道中间。见图2。

图2 溢洪洞流态(百年一遇洪水工况)

3.3 校核洪水位下的流速、流态及水面线

校核洪水位工况下上游来流为2 017.6 m3/s，溢洪洞与导流泄洪洞联合泄洪，其中溢洪洞过流1 260 m3/s，导流泄洪洞过767.6 m3/s，上游库水位为4 102.84 m。上游库区水面平稳，当水流进入溢洪洞进水段时右边墙绕流严重，引水渠内形成漩涡水流不平稳，平均底流速6.76 m/s，呈现右小左大的趋势，堰顶的平均流速为13.64 m/s。泄槽段的流速逐渐增大，水面波动较大，水流时而翻过边墙。水流经过泄槽抛物线的连接处进入消力池流速较大，最大流速为30 m/s，消力池前42 m处形成急流区，后半段形成不完整水跃，消力池后部分翻滚剧烈最高水位高出边墙5 m，消能效果不够理想。海漫段水流波动较大，水流极易翻出左岸，导堤海漫段0+324.95 m处的最大流速为11.59 m/s，0+384.95 m处的最大流速为6.72 m/s，0+441.45 m处的最大流速为4.14 m/s，海漫出口处的流速为5.5 m/s。

溢洪洞出口为无压流，出口水面高4 057.39 m，最大底流速19.64 m/s。水流在消力池内未形成完整水跃，消力池后部分翻滚比较剧烈最高水位高出边墙4.6 m。见图3。

图3 溢洪洞流态(校核洪水位工况)

4 泄水建筑物泄流能力分析

4.1 溢洪洞泄流能力

溢洪洞泄流量按下式计算：

(1)

式中：Q为泄流量，m3/s；m为堰流量系数；ε为闸墩侧收缩系数；B为溢流堰总净宽；H为未计入行近流速水头的堰上水头，m；g重力加速度，g=9.81 m/s2；M为包括侧收缩系数在内的堰流流量系数，M=mε。

由试验得出，当库水位为50年一遇洪水位4 100.59 m时，试验流量为940.05 m3/s，比设计流量906.44 m3/s大3.7%，其流量系数M=0.444；当水库为设计水位4 101.47 m时，试验流量为1 060.00 m3/s，比设计流量1 017.59 m3/s大4.0%，流量系数M=0.442；当水库为校核水位4 102.84 m时，试验流量为1 253.25 m3/s，比设计流量1 198.25 m3/s大4.6%，流量系数M=0.434。见图4。

图4 溢洪洞库水位与流量关系曲线

4.2 导流泄洪洞泄流能力

导流泄洪洞按有压孔流的计算公式：

(2)

式中：Q为泄流量，m3/s；n为孔口数量；μ为流量系数；Ak为孔口断面面积，m2；Hw为水流自由出流时，孔口中心高程算起的上游水库水深，m；

由试验得出，当水库为设计水位4 101.47 m时，试验流量为736.00 m3/s比，流量系数μ=0.871；当水库为校核水位4 102.84 m时，试验流量为757.6 m3/s，大于设计计算流量503 m3/s，流量系数μ=0.875。见图5。

图5 导流泄洪洞库水位与流量关系曲线

4.3 溢洪洞与导流泄洪洞联合泄流能力

库水位为4 102.84 m时，溢洪洞和导流泄洪洞联合泄量为2 017.60 m3/s，比校核洪水1 701.31 m3/s大18.6%，泄水建筑物的整体泄洪规模满足设计要求。见图6。

图6 溢洪洞与导流泄洪洞联合泄洪库水位与流量关系曲线

5 结 论

1)溢洪洞泄流能力：当库水位为50年一遇洪水位4 100.59 m时，试验流量为940.05 m3/s，比设计流量906.44 m3/s大3.7%，计算溢洪洞流量系数M=0.444；当水库为设计水位4 101.47 m时，试验流量为1 060.00 m3/s，比设计流量1 017.59 m3/s大4.0%，流量系数M=0.442；当水库为校核水位4 102.84 m时，试验流量为1 253.25 m3/s，比设计流量1 198.25 m3/s大4.6%，流量系数M=0.434。溢洪洞泄流能力满足设计要求。

2)导流泄洪洞泄流能力：当水库为设计水位4 101.47 m时，试验流量为736.00 m3/s，计算泄洪洞流量系数μ=0.871；当水库为校核水位4 102.84 m时，试验流量为757.6 m3/s，大于设计计算流量503 m3/s，流量系数μ=0.875。试验实测泄洪洞泄流能力大于设计计算值，建议对泄洪洞进口尺寸进行优化。

3)联合泄流能力：库水位为校核洪水位4 102.84 m时，溢洪洞和导流泄洪洞敞泄联合泄量为2 017.60 m3/s，大于比校核洪水1 701.31 m3/s，泄水建筑物的整体泄洪规模满足设计要求。