俄垤水库扩建工程溢洪道消能减蚀模型试验研究

何志亚，冷月华，向鹏鹏，刘文超，姚志军

(1. 云南省红河州水利水电勘察设计研究院，云南 蒙自 661100；2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072； 3. 国投云南大朝山水电有限公司，云南 昆明 650000)

随着我国水利水电[1]事业高速高质量的发展，泄洪消能和掺气减蚀逐渐成为了高流速溢洪道的研究重点。在中高水头水利工程中，水流所积攒的重力势能较大，泄槽内水流流速大，水股集中，可能会对泄洪建筑物造成空蚀，同时对建筑物的消能防冲提出较高要求。已有研究认为：当溢洪道流速超过35 m/s或水流空化数小于0.30时就会发生空化空蚀破坏[1-2]。设置掺气减蚀措施是克服空化空蚀最经济合理的办法[3]。底流消能因其适用各种地形、消能率高、泄洪雾化影响小等优点得以广泛使用[4]。但在中高水头时，高速水流直冲消力池，修建常规消力池工程投资巨大，应通过体型优化选择既能满足消能防冲要求又节省投资的消力池体型尺寸。

俄垤水库扩建工程溢洪道全长375.98 m，上下游落差高达64.62 m，泄槽段流速最大达26.35 m/s，泄槽内易产生空蚀同时对下游的消能设施提出了较高要求。需在泄槽内增设掺气设施，并对消力池进行体型优化，保证溢洪道泄洪时的安全运行。

1 工程概况

俄垤水库位于红河县以南的勐龙河上游，是一座解决农业用水并兼顾城乡生活、工业用水、调洪等综合利用的Ⅲ等中型水利工程，总库容3 010万m3[5]。为解决水库供水需求的增加与水库防洪安全之间的矛盾，对俄垤水库进行了扩建，库容增至4 208.5万m3。为保证扩建后的水库防洪安全，相应地实施了溢洪道改建工程。

俄垤水库溢洪道为3级永久性水工建筑物，消能防冲设计标准为三十年一遇洪水(H上=1 572.04 m)，设计防洪标准为五十年一遇洪水(H上=1 572.32 m)，校核防洪标准为千年一遇洪水(H上=1 573.73 m)。

初拟方案下改建溢洪道布置于坝体右岸，为岸边侧槽开敞式溢洪道。溢洪道轴线与坝轴线夹角为69°45′，溢洪道由侧槽段、调整段、渐变段、泄槽Ⅰ段、泄槽Ⅱ段、消力池段及出水渠段组成。侧槽段长11.31 m，梯形断面，侧堰堰型为WES实用堰，堰宽为12 m，上游堰高1.5 m，下游堰高4.26 m，堰顶高程与水库正常蓄水位1 570.25 m齐平，槽底宽由4 m渐变到8 m。调整段长9 m，底坡i=0；渐变段长40 m，底坡i=0.14；泄槽Ⅰ段长87.0 m，底坡i=0.14；泄槽Ⅱ段长124.0 m，底坡i=0.40，溢洪道泄槽段总落差为67.08 m；消力池段全长38.0 m；出水渠段全长66.7 m。

溢洪道改建初拟方案下溢洪道剖面图及平面图如图1所示。

图1 溢洪道剖面图及平面图

2 物理模型设计

模型利用水箱作为水库，内设平水花墙以稳定水流并调整水流入库方向使之与原型水流一致，满足流态相似要求。在溢洪道进口上游库区部位与下游出水渠内设水位观测点控制水位。其物理模型如图2所示。

图2 物理模型侧视图

模型试验工况如表1所示。

表1 模型试验工况

试验中溢洪道总共布置24个测点，其中泄槽段共布置9个测点，压力测点与流速测点保持一致。

3 试验成果

3.1 初拟方案试验成果

为了尽快验证初拟方案设计的合理性，缩短试验周期，试验主要针对消能防冲水位工况进行分析。

在消能防冲水位工况下：①侧堰段及侧槽段整体流态较好，无负压发生，水面未超相应边墙高度，侧堰体型设计合理；②泄槽Ⅰ段与Ⅱ段抛物线连接处，未出现水流脱空现象，但出现较大负压。泄槽Ⅱ段多个测试断面出现负压。结合实测流速值计算出的空化数表明(如表2所示)，这些断面未能满足防空蚀要求，需考虑泄槽段体型优化或增加掺气减蚀设施；③消能防冲水位下消力池内发生了远驱式水跃，流态较差。设计水位工况下，水流直冲消力池尾坎，高高跃起翻过边墙(如图3所示)，必须进行消力池体型优化。

表2 泄槽段弗劳德数及空化数

图3 初拟方案消力池流态

3.2 泄槽段掺气减蚀优化试验

3.2.1 优化缘由

两种典型工况溢洪道泄洪时，泄槽段出口流速达到26.35 m/s，已属高流速范围。由表2可知，在消能防冲水位下，初拟方案泄槽段某些测点断面的空化数不满足要求，需增设掺气减蚀装置。

3.2.2 掺气设施布置

选择掺气坎体型需保证其在各种水位下，既有足够的掺气保护长度，又不致对原有水流条件产生明显影响。结合典型断面Froude数，经分析比较，最终选择底部设掺气挑坎，两侧边墙设通气槽的组合方式进行掺气。

根据溢洪道泄槽段空化数计算值(表2)可知，桩号0+122.119 m、0+184.501 m、0+215.001 m断面空化数较小，无法满足溢洪道的防空蚀要求。模型试验中对掺气坎的位置进行多次调整及试验，最终选择分别在桩号0+99.402 m、0+192.935 m断面处设掺气装置C1、C2。

为使坎后保持稳定的空腔和满意的流态，要求坎高tr不能太小[7]。

掺气挑坎的下限坎高可按式(1)进行计算：

tr/R≥23.5/X3

(1)

计算得到掺气挑坎C1的下限坎高为10 cm，掺气挑坎C2的下限坎高为1 cm。

根据国内外的研究成果和工程实践，适宜的掺气挑坎坡比i=1∶5～1∶15。参考以上参数计算及分析，经过试验多次优化，最终确定C1坎高为30 cm，坡度1∶10；C2坎高为30 cm，坡度1∶13(如图4所示)。

图4 掺气坎物理模型

设置掺气坎后的泄槽段在消能防冲和设计水位下各测点压力和空化数计算结果如表3所示。

表3 泄槽段弗劳德数及空化数

由表3可知，设掺气坎后，消能防冲水位下空化数均满足要求，设计水位下仅有一个测点断面不满足空化数要求，且出现负压的测点减少，负压值显著减小，掺气减蚀效果明显，可有效减轻溢洪道空蚀破坏。

3.3 消力池体型优化试验

消力池体型优化以设计水位工况下池内流态良好为控制标准。为达到增大消力池进口水深，减小池末水深，使水跃发生位置前移，池内流态良好，主要考虑了池长、扩散角、池末宽度、边墙坡度、尾坎高度等体型参数[8]。优化试验遴选中选择的消力池参数汇总如表4所示。

表4 消力池体型遴选方案汇总

方案一相比初拟方案，大大增加了池长以及池末宽度，略微增加了扩散角，并将消力池边墙改为斜墙。在设计水位下消力池进口断面水深相对设计初拟方案明显增大，发生了淹没水跃。但消力池边墙为斜墙，消力池体型偏大导致工程量较大，需进一步优化。

方案二将扩散角增大至14.93°。试验中水跃跃前断面位置相对于方案一有较大程度的前移。但因扩散角较大，水流不能贴壁下泄，底部水流扩散后与边墙相遇，水流顺着边墙爬升，形成较高的水冠，流态亦较差，说明扩散角不能太大。同时消力池后段体型维持在等宽12.0 m，体型也偏大，需进一步优化。

方案三将扩散角略微增加，并对尾坎体型进行了多次调试。设计水位下消力池内流态能满足要求，且尾坎后流态也较平顺，出水渠内水流流态较好。说明增加尾坎高度对改善池内流态效果明显，尾坎体型对出水渠内流态影响较大。

分析以上遴选方案试验成果，结合消力池工程量的要求，最终确定的消力池体型参数如下：池长38.00 m，池宽由进口4.00 m直线渐变增加至池末8.00 m，边墙高度14.4 m；池末设置尾坎，其高度4.2 m，坎顶宽1.0 m，下游面坡度1∶1(如图5所示)。

图5 推荐消力池体型简图(单位：m)

推荐体型下，在设计水位时，水流在距消力池进口约2.20 m处发生稳定水跃，跃前水深约为1.68 m，跃后断面在消力池进口下游约27.00 m，跃后水深约为5.91 m。再往下游水流越过消力池末尾坎进入出水渠。并且水流在尾坎斜面上产生一个漩滚，进行了二次消能，出水渠内流态平顺(如图6所示)。

图6 推荐消力池流态

由初拟方案和推荐方案的水跃特征参数(如表5所示)对比可知，消力池体型优化效果显著，跃前断面相对于初拟方案有较大前移，跃前断面弗劳德数均位于稳定水跃区间4.5～9.0之间，消力池水跃消能率提升明显。

表5 水跃特征参数对比(设计水位工况)

4 结 语

1)俄垤水库扩建工程在溢洪道泄槽段设置掺气坎后，坎后形成负压空腔，出现负压的测点明显减少，负压值显著减小，在消能防冲水位工况所有测点均能满足空化数要求，掺气减蚀效果明显，可为类似工程提供参考。

2)结合俄垤水库扩建工程的实际情况，采用综合式消力池可以显著壅高池内水深，改善流态，并尽可能减少工程量，技术上可行，可作为推荐方案。