沟水坡水库溢洪道弯道水流及消能试验研究

赵雪萍，李 璐，赵玉良，李松平，苏晓玉，崔洪涛，王建华

（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.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058；4.河南省水利工程安全技术重点实验室，河南 郑州 450003）

溢洪道作为水库的重要设施，在洪水期调整库容、宣泄洪水、确保水库安全方面起着至关重要的作用，溢洪道体形的合理布置是防洪设计的重中之重。根据《溢洪道设计规范》（SL253—2018）［1］规定，溢洪道布置应使水流顺畅，轴线宜取直线。但在实际工程中受地形及施工条件等限制不可避免地会采用弯道等布置，水流进入弯道后在弯道离心力作用下，流速和水深分布极不均匀，弯道内凹凸面会产生水面落差、横向冲击波等，水流经过弯道和收缩段后，水流流态恶化，势必影响下游的消能防冲，因此如何改善弯道水流，提高下游消能率是一项亟待解决的难题。目前，国内很多学者结合工程实际对溢洪道弯道设计进行了研究：白继中［2］结合申庄水库溢洪道除险加固工程，提出了在弯道末端布置横向挑流坎的方案；罗美蓉［3］为了改善王家厂水库溢洪道弯道水流流态，提出了扇形抬高陡坡段泄槽底部高程和加设分流墩的设计方案；赵经华等［4］针对阿不都拉水库溢洪道弯道消能问题，提出了同时在第一直线段加糙条和在陡槽弯道段采取渠道超高法削减冲击波的方案；傅灿等［5］针对云南省某水库溢洪道，提出在陡槽弯道段底部垂直布置四道斜槛的方案。以上方案都较好地改善了溢洪道弯道的水流流态及消能防冲效果。沟水坡水库兴建于20世纪五六十年代，受先天不足影响险情不断，为保证水库安全，须对溢洪道进行除险加固。笔者结合沟水坡水库溢洪道除险加固工程，采用几何比尺为1∶50的水工模型对溢洪道的水流特性进行系统研究，验证了溢洪道体形的合理性，并提出了改善弯道水流流态及下游消能效果的优化措施。

1 工程概况

沟水坡水库位于河南省灵宝市大王镇境内的黄河支流好阳河下游，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、养殖等综合利用的中型水库，总库容1 328万m3。本次除险加固溢洪道设计防洪标准为50 a一遇，校核洪水标准为1 000 a一遇，溢洪道泄水建筑物级别为3级，消能防冲工程防洪标准为30 a一遇。

溢洪道位于大坝左岸，为无闸控制开敞式宽顶溢流堰。溢洪道工程主要由引渠段、溢流堰段、陡坡段、消能工段和尾水渠段组成，溢洪道平面布置见图1。溢洪道过流断面为梯形，桩号溢0-123.278—溢0＋000为引渠段，渠底为平底。溢洪道交通桥位于桩号溢0-110.483处；桩号溢0-085.868—溢0-043.674为圆弧转弯段，圆弧半径87.544 m，圆弧转角为27.62°；溢0-043.674—溢0＋000渠底宽度由55 m渐变至45 m。桩号溢0＋000—溢0＋010为溢流堰段，平底且底宽45 m。桩号溢0＋010.0—溢0＋141.4为陡坡段，坡比为1∶4.5；桩号溢0＋010—溢0＋055，底宽由45 m渐变至28 m。桩号溢0＋141.4—溢0＋186.4为综合式消力池消能工段，池深3.2 m，坎高2.0 m，池长45 m，池宽28 m。桩号溢0＋186.400—溢0＋455.987为尾水渠段，其中：桩号溢0＋186.400—溢0＋206.727为圆弧段，圆弧半径为22.325 m，圆弧转角为52.17°，平底，底宽为28 m；桩号溢0＋206.727—溢0＋455.987底宽为28 m，底板纵向底坡为0.02。

图1 溢洪道平面布置

2 模型设计及试验工况

模型按重力相似准则［6-7］设计，采用正态模型，几何比尺为1∶50，溢洪道引渠段、溢流堰段、陡坡段、消能工段均采用有机玻璃制作，下游尾水渠段采用水泥砂浆净面和拉毛处理，有机玻璃糙率为0.007 5～0.008 5，溢洪道糙率为0.014～0.015［8］，模型糙率比尺为1.919，满足阻力相似。

模型长度范围上游自桩号溢0-225断面延伸至整个库区，下游截取至溢洪道尾水渠末端向下55 m，尾水渠末端左右岸沿正交干渠向两边各延伸180 m。模型宽度范围以不影响溢洪道上下游流态为依据，上游宽666 m、下游宽295 m。

试验主要测量水流的流速、压力、水面线、消能效果等水力特性。本试验采用高水箱循环供水，模型上游安装80 cm宽的矩形量水堰测量模型流量，采用固定测针、活动测针测量水位，采用测压管测量压力［9-10］，采用光电旋桨流速仪测量流速。

本试验为定床试验，共有3种特征工况［11］：①30 a一遇洪水，库水位H=435.62 m，设计流量492 m3／s；②50 a一遇（设计）洪水，库水位436.56 m，设计流量688 m3／s；③1 000 a一遇（校核）洪水，库水位439.26 m，设计流量1 371 m3／s。

3 原设计方案试验结果

3.1 泄流能力

3种特征工况下，原设计方案实测泄流能力见表1。工况①溢洪道实测流量为529 m3／s，比原设计值增加7.52%；工况②溢洪道实测流量为769 m3／s，比原设计值增加11.77%；工况③实测流量为1 598 m3／s，比原设计值增加16.56%。流量系数介于0.346～0.388之间并随着水位的上升逐渐增大。溢洪道的泄流能力满足设计要求。

表1 模型实测泄流能力

3.2 水流流态及流速

工况①溢洪道进口水面平稳，桩号溢0-123.278处流速约0.8 m／s，进口左右两边墙处形成小的跌水，交通桥桥墩处形成水冠，桥墩之后形成跌水，桥墩上下游水面差约1.0 m。水流进入弯道后受离心力作用，水面左高右低，弯道水流经过引渠段和陡坡段的收缩折冲形成菱形波，交汇于桩号溢0＋049处，主流偏向右岸，水流入消力池的水舌不对称，消力池形成不稳定水跃，跃首最前端位于桩号溢0＋136断面，最大流速为19.51 m／s，水跃在消力池内顶冲消力坎后形成逆时针旋涡，分别沿两岸回流而上。水流过消力坎后形成跌水，消力坎后弯道处水流上一级马道，水流过弯道后在尾水渠摆动较大，在桩号溢0＋321断面附近形成二次水跃，尾水渠边墙高度不够。水流出尾水渠后与干渠正交，受对面山体顶冲一部分沿河道向上，在桩号溢0＋331断面到生产桥右岸形成回流区，大部分沿河道向下。工况①溢洪道水流流态见图2，工况②和工况③水流流态与工况①基本相似。

图2 工况①溢洪道水流流态

3.3 压力及沿程水面线

溢洪道3种特征工况下全程无负压，压力分布良好。

3种特征工况下，溢洪道进口引渠段、溢流堰段和陡坡段泄槽边墙高度均满足要求，消力池消力坎桩号溢0＋183.90断面附近左右岸水流出现溢槽现象。溢洪道进口桩号溢0-085.868—溢0-043.674弯道段左右岸最大水位差为1.09 m，消力池后桩号溢0＋186.400—溢0＋206.727弯道段左右岸最大水位差为2.27 m。由于尾水渠与下游干渠正交，因此尾水水流受对面山体顶冲，工况①尾水渠桩号溢0＋341.727以下左右岸边墙高度不够，需对尾水渠体形进行优化。

3.4 消力池消能效果

水跃形状决定于跃前断面急流的弗劳德数，弗劳德数越大，消能率越高。为分析消力池的消能效果，对水跃的弗劳德数和消能率进行计算：

式中：Fr1为跃前断面急流的弗劳德数；v1为跃前断面水流的平均流速；h1为跃前断面的水深；g为重力加速度。

式中：K为消能率；ΔE为水跃段的消能量；E1为跃前断面的单位能量；E2为跃后断面的单位能量。

通过计算可知，工况①、工况②和工况③对应的Fr1分别为2.87、3.17和3.31，2.5＜Fr1＜4.5，均属于颤动水跃，消能率分别为25%、28%和30%，消力池消能效果不佳。

4 改善弯道水流及提高下游消能率的措施

受先天地形限制，原设计方案水流在引水渠弯道中运动时，在离心力作用下水面出现左高右低现象，水流经由弯道段进入溢流堰段后，渠道断面束窄的原因导致下泄洪水在溢洪道陡坡段形成菱形水流。菱形水流行进过程中向右迁移，水流不居中，下泄水流直接顶冲消力池右岸，消力池内水流紊乱，水跃不稳定，消力池消力坎两岸有水流溢槽现象，且消能效果不佳。根据试验数据对消力池设计进行校核，对于综合式消力池的计算按照如下思路：先假定下游发生临界水跃，求所需的坎高和池深，然后求由临界水跃转变为淹没水跃所需的坎高和池深。

经计算，工况①30 a一遇洪水条件下，堰上水头为31.97 m，下游水深为3.79 m，按照无收缩溢洪道计算，消力池深度应为3.3 m，消力池长度范围应为48.6～55.54 m。原消力池设计方案中的池深3.2 m，消力坎高2 m，消力池长45 m，稍小于计算值。但原设计方案中溢洪道有多处收缩，增大了水流流动的不稳定性，原消力池的设计标准应有所提高，但考虑到沟水坡水库下游地形的限制，消力池的设计可按照原设计方案执行。为了改善水流流态及消力池的消能效果［12-14］，笔者提出渠底超高横向坡降法和溢流堰段增设导流墩法两种解决方案。

4.1 渠底超高横向坡降法

为调整引水渠弯道段横断面边坡，调节溢洪道进口流量分布，使单宽流量尽可能均匀，减小菱形波横向迁移，根据水力学基础知识，水流运动平衡方程为

式中：φ为渠底与水平面夹角；v为单曲起始断面平均速度；rc为弯道段中线曲率半径；Δm为水质点质量。

渠底超高横向坡降为

经计算，工况①30 a一遇洪水对应底坡i=0.009 091，因此底坡i设定为0.009，边坡变化起始桩号为溢0-085.868，结束桩号为溢0-043.674，具体设计见图3。

图3 引渠弯道横断面底坡设计

采用改变引水渠弯道底坡的方法调节流量分布的方案与原设计方案相比，消力池水流流态、消力池与尾水渠段水流衔接相对有所改善，但改善效果不显著，这主要受溢洪道进口来流角度影响。

4.2 溢流堰段增设导流墩法

沟水坡水库溢洪道水流流态和下游消能效果不佳，除引渠段弯道布置外，主流与引水渠进口轴线偏离和泄槽边界收缩也是原因之一，因此单靠改变引水渠弯道底坡的方法效果不显著。经过多方案对比，在溢洪道溢流堰段桩号溢0＋006.35处向上游至桩号溢0-001.76增设一个长为10 m、宽为1 m、高为5 m的导流墩，可有效改善水流不均匀分布的状态，使下泄水流均匀居中，降低菱形水流对平面的影响，从而改善水流流态及下游消能效果。导流墩具体布置见图4。

图4 导流墩布置

导流墩的设置首先要满足水位流量关系，保证水库泄流安全。经模型试验验证，3种特征工况下，溢流堰段增设导流墩后，虽然有所阻水，但不影响泄流安全。导流墩的长、宽、高及角度是经过多方案系统研究后择优选取的，增设导流墩后溢洪道的泄流能力能满足设计要求。

增设导流墩后，导流墩左右两侧形成明显的水面差，工况①导流墩墩头处右侧水深为3.65 m，左侧水深为0.05 m，两侧水位差为3.60 m；墩尾处右侧水深为2.75 m，左侧水深为1.40 m，两侧水位差为1.35 m，水流在墩尾处形成水冠。水流过溢流堰段后在陡坡段形成菱形波，菱形波交汇于桩号溢0＋080处，陡坡段水深分布较为均匀，流态较原设计方案明显改善，左右两侧水舌分布对称，水舌入消力池后主流居中，水流顶冲到消力坎后，在左右两侧形成回流，水跃较为稳定，消力池内水流没有溢槽现象。水流出消力池后形成二次水跃，跃首斜向分布，跃首左侧位于消力坎，右侧位于桩号溢0＋236处，水流在尾水渠内波动较大，受出口顶托在桩号溢0＋341附近形成三次水跃，尾水渠边墙高度不够。工况①溢洪道溢流堰段增设导流墩后水流流态见图5，工况②和工况③的水流流态与工况①基本相似，但消力坎附近左右岸水流间歇性窜上二级马道。

图5 工况①溢洪道溢流堰段增设导流墩后水流流态

根据式（1）和式（2）计算可知，增设导流墩后，工况①、工况②和工况③对应的Fr1分别为4.58、4.60和4.23，消能率分别为45%、46%和42%，水跃保持稳定的均衡状态，消力池消能效果显著提高。

5 结 论

通过模型试验研究了沟水坡水库溢洪道原设计方案3种工况的水流运动规律，从泄流能力、流态及消能效果等方面分析了溢洪道体形的合理性，并针对弯道水流流态及下游消能存在的问题提出了改善措施。试验结果表明：渠底超高横向坡降法在解决单一弯道水流流态问题时往往效果显著，但对于体形复杂的弯道水流流态的改善效果有限；溢流堰段增设导流墩后，水流流态较原设计方案明显改善，陡坡段水流分布均匀，水流入消力池后水舌对称且主流居中，水跃稳定；对应3种工况消力池的消能率由25%、28%和30%分别提升到45%、46%和42%，不仅消能效果提升显著，而且减少了水流对右岸边坡的淘刷，因此建议采用溢流堰段增设导流墩法来改善弯道水流流态及下游消能效果。