浅析溢流堰消能结构型式优化设计方案

黎志敏，严志康

（中铁水利水电规划设计集团有限公司,江西 南昌 330029）

1 工程概况及方案布置

1.1 概况设计

近年来,鹰潭市总体经济高速增长,为进一步惠及人民,解决鹰潭地区缺水等问题,鹰潭市政府决定在信江支流上游修建枢纽工程。该枢纽工程位于贵溪市文坊镇,罗塘河上游雷家山峡谷段,距贵溪市中心城区49 km,正常设计蓄水位高程为132.00 m,总设计库容1.09×108m3。该水利枢纽洪水工程是一座具有较大综合效益的大（2）型水利枢纽工程,主要以供水、灌溉为主,结合防洪,兼顾水利发电等。

该水利枢纽工程为Ⅱ等工程,根据《水利水电等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）[1],永久性的大型建筑物洪水等级为2 级,砼和大型重力拦水大坝按照国际相应的二级洪水重现标准分别进行工程重现期：洪水工程设计100 年,校核1000 年；消能发电装置的工程设计按照洪水重现标准再之后发生的工程重现洪水阶段一般是50 年。次要的民用建筑物基本等级为3 级,临时性的建筑物基本等级为4级,根据其建筑结构整体形状和建筑型式,根据其结构型式,确定其洪水标准。

1.2 砼重力坝方案布置

水库的正常蓄水位为132.00 m,设计洪水位高程为132.78 m,校核洪水位高程为133.54 m,汛限水位为130.50 m。该工程为砼重力大坝,坐落于峡谷中间,发电引水系统分别布置于右坝段,采用一管二机的型式引水,厂房分别布置于右坝段下游侧约180 m处,采用坝后岸边式的地面清晰厂房的型式,溢流堰分别布置于水道河床中部,采用挑流式的消能型式。

该工程大坝的总坝顶高度约为134.00 m ,大坝的河床施工基面高度约为95.00 m ,最大坝高度约为39.00 m ,最小坝顶宽度约为6.00 m,坝体中心轴线总长165. 00 m 。坝内布置一条横跨纵向的基础帷幕式灌浆及地下排水廊道,廊道底板总高程100.50 m ,廊道采用城门洞型,尺寸为2.5 m×3.5 m,在大坝内部设置交通廊道,出口设置在大坝下游靠岸坡处[2]。坝体典型剖面见图1。

图1 坝体典型剖面图

溢流坝段位于河床的中间部位,长31.00 m,采用WES实用堰型,堰顶高程126.00 m,溢流净宽3（孔）×8.00 m,采用三扇弧形门控制[3]。溢流坝采用挑流消能。在右岸非溢流坝段前设分层取水口,取水口底板高程106.50 m,孔宽2.0 m,设拦污栅和四层工作闸门。拦污栅为平面滑动式钢栅,工作闸门为平面定轮钢闸门,启闭设备为卷扬式启闭机[3]。坝顶设置启闭闸房,坝身设管线直径2.50 m的压力钢管,采用一管二机加备用输水管线布置。

2 模型设计

2.1 原理

模型实验的基本原理主要是一种通过等比例缩小或者使用等比实验对象来建立一个模型的分析,对其中的一个模型进行分析,从而获得相关实验数据,以此数据作为对比原型实体并查找不足。试验对象是按照一定的比例缩小并与实际结构相一致的试验构件代表,具有与原型相似或基本相同的特征。代表物的受力是通过对采用原材料相似而制成的与原型相似试验体上施加相同比例的荷载而得到的,从而可以得到与原型结构在实际运行工作下相同的结构试验。

实体模型根据模型相似理论可分为材料、几何、物理等三种相似,因此模型的分析结果可推算实际原型的运行工作情况。本次实验采用弹性模型对实体模型进行试验分析。

2.2 模拟范围

结合工程现状情况,模型模拟范围为库区至坝轴线以上260 m处；地形至137 m高程,下游河道至坝轴线以下约400 m处；地形至112 m高程,模拟总长度约660 m。

2.3 设计方案

该工程大型溢流堰段主要部分布置在小型大理石拱坝河床中间100 m处,长31.00 m,溢流坝段主要部分采用WES实用式溢流堰型,坝体最大溢流高程126.00 m,溢流净宽3（孔）×8.00 m,溢流坝段主要部分采用大型挑流坝段消能,最大泄流量为1071.00 m3/s。

根据国家相关规范及现场实际要求,模型中的几何比尺设计为40,溢流堰等各类建筑物的模型均按一定比例使用有机玻璃板进行精制,以充分满足建筑物的水流湍动和阻力相似度要求,库区及其河道地形均采用水泥砂浆抹面。模型河道平面尺寸控制精度±5 mm,建筑物尺寸控制精度±0.5 mm,安装高程误差小于±0.3 mm[4]。模型平面图见图2。

图2 模型平面图见图

模型流量用标准薄壁矩形堰量测；时均动水压强用测压管量测；流速根据其大小采用毕托管或旋桨式光电流速流向仪量测；水流流态采用直尺量测、高倍像素相机拍摄的方法记录[4]。

2.4 设计工况

工况1：校核洪水,库水位133.54 m,泄洪流量1071.00 m3/s,下游河道水位109.81 m。

工况2：设计洪水,库水位132.78 m,下游河道水位108.89 m。

工况3：消能防冲水位,库水位132.69 m,下游河道水位108.79 m。

工况4：正常蓄水位,库水位132.00 m。

工况5：防汛限制水位,库水位130.50 m。

3 溢流堰的结构型式优化设计方案试验

3.1 原方案试验分析

利用试验模型对溢流堰的泄流能力、水流流态、时均动水压强在原方案情况下进行模拟分析。分析表明,在校核洪水工况下,实测溢流堰的泄洪流量1071.69 m3/s,比设计值（1071 m3/s）略大,泄流能力满足要求。

溢流堰闸门全开泄洪时,受右侧电站取水口的影响,右边孔进口形成绕流,见图3 和图4；左侧受侧收缩的影响而导致水面略有下凹,这种现象随库水位的升高而更为明显。水流过堰后,在中隔墩后形成较高的水翅,防汛限制水位下尤为明显,实测最大水翅高度为4.0 m（高出水面）,见图5。

图3 设计洪水水流流态

图4 校核洪水水流流态

图5 原方案敦后水翅（防洪限制水位130.5 m）

溢流堰闸门全开泄洪时,在设计洪水工况下,溢流堰面没有出现负压；校核洪水工况下,溢流堰面局部区域出现负压,实测最大负压值为0.57 m水柱（按重力相似准则换算）,没有超过规范要求。

综上实验结果表明,溢流堰的总体布局及其体型设计合理,泄流容量和能力均可以满足要求,但溢流堰右边孔进口前存在回流,边墩绕流显著,隔墩后形成水翅。说明溢流堰进口及中隔墩墩尾仍存在优化的可能性。

3.2 优化设计

在溢流堰右侧边墩与电站取水口左侧边墩之间设置一道导流墙,导流墙体型为1/4 椭圆,为悬挂式,顶高程为134.00 m,底高程为125.00 m,将原方案溢流堰中隔墩的墩尾由半圆型式改为子弹头型式,并将中隔墩延长4 m,墩尾为直立式（高出水面）,见图6。

图6 修改后的中隔墩墩尾

3.3 优化方案分析

库区来流平顺,溢流堰闸门全开泄洪时,右侧增设了导流墙,原方案中绕流现象消失。

在中隔墩后增加了子弹头形尾墩,墩后水翅较原方案明显减小,见图6,在校核洪水、设计洪水和防洪限制水位工况下,实测最大水翅高度分别为1.6 m、1.2 m和0.8 m；溢流堰为挑流消能,在各种泄洪工况下,均能形成挑流水舌。

下游河道的流速分布总体上呈现右向左大左小的分布,主流偏向右侧,左侧则形成了回流地带。在校准备核定洪水、设计洪水和消能防冲等特殊情况下,实测右岸（扶壁式挡墙）最大流速分别为5.38 m/s、3.53 m/s和3.48 m/s；坝脚处最大回流流速小于0.3 m/s,坝脚不会受到冲刷。

在设计洪水和消能防冲洪水工况下,溢流堰面未出现负压；在校核洪水和设计洪水工况（闸门局部开启）下,溢流堰面的局部区域出现负压,实测最大负压值为0.57 m水柱（规范允许值为6 m水柱）；溢流堰面时均动水压强分布无异常,溢流堰体型合理。

4 结论

（1）本工程溢流堰总体布置及设计合理,溢流堰进口及中隔墩墩尾体型需要进一步优化；试验中对原方案体型进行了优化,在溢流堰右侧增设导流墙及中隔墩后增加子弹头形尾墩,试验表明此优化方案合理。

（2）在溢流堰右侧增设导流墙,溢流堰闸门全开泄洪时,原方案中绕流消失,孔内水流平稳；中隔墩后增加了子弹头形尾墩,墩后水翅较原方案明显减小,在防洪限制水位时,墩后水翅由原方案的4.0 m减小至0.8 m。

（3）在设计洪水和消能防冲洪水工况下,溢流堰面未出现负压；在校核洪水工况下,溢流堰面的局部区域出现负压,但未超过规范允许值,溢流堰体型设计合理。