贵州某水库台阶溢洪道体型优化研究

孟云祥，孙 贺，杜振康，朱光明，闫秀秀

西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 咸阳 712100

与传统光滑溢洪道相比，台阶溢洪道具有施工方便、工期短、消能率高等显著优点[1]。国内外许多专家学者从不同角度出发对不同形式的台阶溢洪道及其水力特性进行了理论推导、模型试验与数值模拟研究，取得了较为丰富的研究成果[2-4]。在实际工程中，台阶溢洪道前端掺气坎形式对台阶水流流态影响较为明显。基于此，文章以贵州某水库台阶溢洪道为工程背景，从优化台阶与消力池内水流流态出发，重点对台阶前端掺气坎进行体型优化调整，以期为实际工程提供合理体型。

1 工程概况

贵州某水库大坝坝顶中部设泄洪表孔，为开敞式不设闸泄洪方式，坝高80m，其中堰顶高程为605m，共3孔，单孔宽11m，溢流净宽33m。溢流堰型采用WES实用堰，曲线方程为y=0.149x1.85。采用台阶泄槽，台阶高度为2m，台阶坡比为1∶0.8，采用消力池消能方式，消力池宽度为35m，池长50m，尾坎高4.5m，体型参数如图1所示。特征水位实测流量如表1所示。

图1 台阶溢洪道体型参数详图（单位：m）

表1 水库溢洪表孔特征水位实测流量表

2 模型布置

水工模型试验按重力相似准则进行设计，按照试验任务要求，模型为正态模型，采用比尺Lr=50。

模型试验段制作范围为上游库区从坝顶轴线向上210m（模型4.2m），下游河道从消力池末端向下游300m（模型6.0m），再加上溢洪表孔长度约124.5m（模型2.49m），模型制作范围总长约634.5m（模型12.7m）。

3 存在的问题及解决思路

基于水力学试验流态观测和数据量测后发现，该水库工程溢洪表孔存在以下问题：（1）由于台阶起点没有形成掺气空腔和掺气水舌，应该在台阶起点增加掺气坎，实现台阶上段水流的掺气，同时改善台阶起点水流流态；（2）针对小流量水舌直接冲击台阶水平面形成平抛流态，导致的流态不佳甚至超出两侧边墙的情况，应该对起始端台阶布置进行具体优化。

3.1 优化方案一

为了避免小流量在第一个台阶水流贴壁下泄，水流在台阶水平面挑射出流，形成平抛水流流态，试验在溢流堰末端设置一个掺气坎，目的是在第一个台阶跌坎位置形成一个通气空腔，避免水流贴壁下泄产生不利流态。按照这一思路，试验参考以往工程实际掺气坎体型，并结合该工程体型特点，初步确定的掺气坎修改一体型如图2所示。其中，掺气坎铅直高0.20m，起点在溢流面切点位置，坎斜长3.32m。

图2 优化方案一掺气坎体型详图（单位：m）

优化方案一掺气空腔流态如图3所示。从图3不难发现，校核洪水位工况没有形成掺气空腔，30年一遇工况基本处于临界掺气状态，也就是空腔时有时无，并且空腔没有在台阶贯通；5年一遇形成比较稳定的空腔。大流量没有形成稳定畅通的掺气空腔，掺气坎必须进行再次修改。

图3 优化方案一掺气空腔流态图

3.2 优化方案二

考虑到修改一在大流量时没有实现掺气坎的掺气作用，并且在溢流堰开始泄流时的小流量依然出现水流在第一个台阶产生水平挑射水流现象，分析其原因有可能是挑坎的坡比与原堰面坡比接近，水舌没有挑起来，也就是挑坎的斜长太长，水舌水流基本和没有挑坎水流方向接近，因此修改二将按照传统的挑坎坡比1∶10进行设计，体型如图4所示，其中挑坎高为0.20m（铅直0.32m），斜长2.01m。

图4 优化方案二掺气坎体型详图（单位：m）

优化方案二掺气空腔流态如图5所示，在校核洪水位、消能防冲水位和5年一遇水位均形成稳定的掺气空腔，其中校核洪水位、消能防冲水位工况的掺气水舌在第2个台阶位置与台阶相切。对小流量同样进行了观察，依然存在水舌直接冲到第二个台阶水平面形成水平挑射的水流现象。因此，试验试图通过将挑坎坡度再次变缓，让水舌紧贴第一个台阶下泄，达到改善掺气坎下游流态的目的。

图5 优化方案二掺气空腔流态图

3.3 优化方案三

修改三是保持挑坎末端高度为0.20m（铅直0.32m）不变，挑坎表面是向溢流面上游做切线，此时的挑坎斜长为3.65m，相当于挑坎坡比为1∶18.25，此坎比修改二放缓了接近一半，掺气坎体型如图6所示。

图6 优化方案三掺气坎体型详图（单位：m）

试验观察了3个不同工况的水舌流态和小流量工况下的台阶流态，其流态如图7所示。流态基本和修改二接近，都可以形成稳定的通气空腔，只是由于该体型坡比变缓，使得水舌落点略有下移，表现在校核洪水位由于水舌下压，在第一个台阶的空腔回水水面略有抬高，但空腔依然稳定。其他工况和修改二基本变化不大。从以上修改过程来看，要改善水舌对台阶平面的冲击，单单依靠调整掺气坎体型还不够，应该再对台阶高度进行必要的优化。

图7 小流量台阶流态图

3.4 优化方案四

由于台阶的不断加密，使得掺气空腔变小，为了确保空腔有充足的面积通气，保证通气畅通，试验对掺气坎高度进行了加高。掺气坎修改四挑坎高变为0.30m（铅直0.48m），起点为切点，斜长4.02m，以达到抬高水舌跳起高度，增加空腔面积的目的，掺气坎体型如图8所示。同时考虑到挑坎变高，水舌挑距增加，因此，模型将原设计的第4和第5个台阶也进行加密，从而保证台阶面水舌流态的顺畅衔接。

图8 优化方案四掺气坎体型详图（单位：m）

通过试验观察发现，在泄洪运行各个工况以及小流量时，水流流态都比较理想，其通气空腔稳定，通气良好，可以作为推荐体型。

4 结论

文章通过水工模型试验对贵州某水库台阶溢洪道相关体型及水力学问题进行研究，得出以下结论：（1）合理确定掺气坎尺寸可保证台阶起点形成稳定畅通的掺气空腔和掺气水舌；（2）针对台阶溢洪道在小流量运行工况下水舌冲击台阶水平面斜抛，从而超出两侧边墙的情况，通过缩小掺气坎末端、台阶起点处的台阶尺寸，可有效降低水流跌落高度。