清溪水库泄洪闸水力特性及调节池优化试验研究

林道通，周盛侄，徐 岗，屠兴刚，王 丹

（1.浙江省宁海县水利局，浙江 宁海 315600；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017）

1 概况

清溪水库工程位于清溪干流宁海县境内的辽车村，距桑洲镇4.0 km，距宁海县城43.6 km，涉及台州市天台县、三门县和宁波市宁海县。坝址以上流域面积92.5 km2，多年平均入库径流量为2 283 万m3。设计洪水标准为100 a 一遇，校核洪水标准为1 000 a 一遇，坝下消能防冲按30 a一遇洪水设计。大坝坝顶高程115.00 m，最大坝高96 m，总库容8 661 万m3，配套电站可装机3.0 MW，输水设计流量为2.17 m3/s。工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，是一座以供水、防洪为主，兼顾水环境改善、灌溉、发电等综合利用的水利工程。

坝址两岸山体雄厚，地形陡峻，“U”型河谷底宽95～110 m，厚度变化较大的冲洪积砂砾石层在河谷中堆积。工程主要由挡水建筑物、泄水建筑物（坝身溢洪道）、放水建筑物、发电引水建筑物（电站厂房、引水堰坝等）和输水建筑物等组成，平面布置见图1。泄水建筑物采用表孔泄洪闸，设有3 孔，每孔净宽10 m，堰顶高程104.50 m。溢流堰采用WES 型实用堰，堰顶设2 m 平台，采用挑流消能。引水堰坝位于大坝下游约400 m 处，为混凝土坝，按50 a 一遇洪水设计，100 a 一遇洪水校核，溢流坝段长70 m，堰顶高程为50.00 m，坝高14 m，溢流坝采用WES 实用堰，消力池深2 m，长30 m。

图1 清溪水库工程平面布置示意图

受地形地貌、河道走势、枢纽平面布置等因素影响，泄洪建筑物的溢流特性及消能防冲问题极其复杂。从文献资料来看，以往物理模型以及数学模型的研究成果多针对溢洪道的局部水力学问题，如堰体形式、挑流鼻坎形式、下游河床冲淤特性等，而对于泄洪建筑物整体的研究较少。另外，非常规堰型的堰流特性、调节池泄洪流态，砂砾石覆盖层冲淤特征等问题也需进一步深入研究。鉴于此，本文通过开展清溪水库水工整体物理模型试验，探讨泄洪闸的泄流能力、水流特性、调节池流态及河床砂砾石覆盖层冲淤特性等，成果验证优化了泄水建筑物的整体设计与布置，为类似工程提供参考。

2 模型设计

模型试验范围包括模拟上游库区、下游河道及溢流坝段、引水堰坝、跨河桥梁等枢纽建筑物。模型按重力相似准则设计，比例尺为1：40，模型布置见图2。

图2 模型布置图 单位：m

模型由库区、拦河坝段、溢流坝段、调节池、引水堰坝和下游河道等组成，其中溢流坝段采用有机玻璃制作。为保证库区进口流态相似，上游库区横向模拟泄洪中心线左侧100 m 至右侧120 m 范围；顺水流方向上游模拟至坝上400 m，地形模拟至95.00～105.00 m 高程；下游模拟至坝下700 m，地形模拟至50.00～70.00 m 高程。坝下游调节池河床按动床模拟，其余地形按定床模拟。

调节池动床模拟至基岩，铺沙高程为28.00～35.00 m。采用几何相似，按照原型沙级配选配模型沙，同时结合启动流速和调节池水动力特性，粒径d≥160 mm 用160 mm 模型沙替代，粒径d≤1 mm 不考虑，原型沙及模型沙级配曲线见图3。由模型沙中值粒径d50=11 mm 折算成原型沙中值粒径为45 mm，相较原型沙实际中值粒径（d50=57 mm）偏小，启动流速偏小，试验成果偏于安全。

图3 原型沙及模型沙级配曲线图

3 试验结果及分析

3.1 试验工况

模型试验选取100 a 一遇设计和1 000 a 一遇校核2 组特征工况（见表1）。

表1 试验工况表

3.2 泄洪闸泄流能力

清溪水库坝身泄洪闸共设3 孔，每孔净宽10 m，堰面型式及曲线方程见图4，泄流能力见图5。

图4 泄洪闸堰面型式及曲线方程图

图5 泄洪闸泄流能力图

由图5 可知，试验观测的水位流量曲线均在设计水位流量曲线上方。同一水位时，实测流量大于设计值，说明泄洪闸的泄流能力有一定富余，满足设计要求。泄洪闸综合流量系数采用堰流公式（1）计算：

式中：m为流量系数；Q为泄流流量，m3/s；H0为堰顶水头（忽略库区行近水头，则H0=Z-104.5），m；Z为库水位，m；B为泄洪闸总净宽，30 m；g为重力加速度，取9.81 m/s2。其中，流量系数m为0.435～0.458，且随着库水位升高逐渐增大，符合堰流一般规律。流量系数略小于标准WES 曲线，偏小5%左右。

3.3 溢流堰面压力、空化数及流速分布

为分析溢流坝段体型设计的合理性，模型试验在溢流中心线布置17 个测压点，沿程压力分布见图6。由于泄洪闸设3 孔，相邻两孔间由闸墩（墩厚2.5 m）分割，闸墩下游堰面由于无隔墙而形成一个整体泄槽，两边孔和中孔进流条件不尽相同，水深和流速有所差异，为保障工程安全，流速取相对大值，沿程流速分布见图7。同时根据实测压力及流速数据，分别计算溢流坝段沿程的水流空化数（见图6）。

图6 溢流坝段沿程压力及空化数图

图7 溢流坝段沿程流速分布图

由图6～7 可看出：①沿程压力分布。P=0.1%和P=1.0%工况，泄洪闸堰顶上游侧压力沿程增大，堰顶下游侧压力沿程降低，在距坝轴线6.85～11.65 m 范围的测点出现负压，其最大负压值分别为1.10×9.81 kPa 和0.26×9.81 kPa，最大负压满足规范要求。1：0.75 泄槽段整体压力均较小，校核和设计工况最小值均出现在27.18 m 附近，其值分别为1.45×9.81 kPa、0.85×9.81 kPa。反弧段压力较大，至挑流鼻坎末端逐渐降低，校核和设计工况压力值分别为（2.52～8.06）×9.81 kPa、（1.64～4.66）×9.81 kPa。②沿程流速分布。总体上，溢流坝段堰顶至挑流鼻坎末端流速逐渐增大，进口流速最小，鼻坎末端流速达到最大值。校核和设计洪水位堰顶、WES 曲线段、1：0.75 陡槽段、反弧段平均流速分别为7.6～9.2 m/s、13.3～18.1 m/s、20.7～30.1 m/s、31.0～32.0 m/s。③水流空化数。校核和设计工况下，1：0.75 泄槽段水流空化数较大，反弧段以及与1：0.75 直线段的过渡区水流空化数为0.25～0.33，基本处于光滑陡槽常规的初生水流空化数的临界值0.30 附近。按照规范给定的空化空蚀破坏的判别标准，该段易发生空蚀破坏。因此，在施工过程中除了需要严格控制过流面的施工平整度之外，还需要采取其他措施，如提高混凝土标号、增加钢板护面等，确保结构安全。

3.4 调节池流态及优化

原方案试验观测表明：坝下调节池内流态差，主流偏向右岸并直接顶冲引水堰右侧副坝，左右两侧均为回流，流速较大；引水堰堰顶流速分布不均，流向不正偏向左岸侧。

通过多个比选方案研究分析，最终提出的优化调整措施为：①溢流坝段整体向左岸侧移动5.0 m；②下游引水堰坝溢流坝段由原来的78 m 增加至85 m，溢流中心线向右岸平移6.5 m；③调节池内覆盖层预挖至基岩（高程28.00 m）。

由优化前、后流态（见图8）可知：优化方案调节池流态有明显改善，水舌入水后，主流基本在河道中心，两侧回流范围减小，回流流速降低，引水堰堰顶流速分布均匀度提高。①P=0.1%工况，电站处（坝下200～300 m）回流流速为2.5 m/s，下降50%左右；右岸回流流速为2.0～3.5 m/s，下降20%左右；主流（坝下300 m 中心线处）流速8.5 m/s，下降25%左右。②P=1.0%工况，左岸坝下100～150 m 范围回流消失，电站及取水口处回流流速由原方案的1.4～5.0 m/s 降低至2.2～2.4 m/s，降幅40%～70%；右岸坝下100～300 m 断面回流流速为2.2～3.5 m/s，流速较原方案均有较大程度的降低；主流流速为7.0 m/s，下降10%左右；引水堰堰顶流速均匀度提高11%。

图8 坝下调节池优化前、后流态对比图

3.5 调节池冲淤形态

从冲淤形态来看，校核和设计工况冲淤地形形态基本一致。水舌落点附近，引水堰坝右岸堰前区域，电站及取水口附近3 个区域出现冲刷，其余区域呈淤积形态。水舌落点附近及引水堰坝右岸堰前区域，冲刷至基岩，未达到稳定冲刷坑深度，水舌落点附近冲刷坑离左岸边坡较近。水舌点及主流区，小粒径的泥沙一部分冲刷至下游，一部分淤积在坝脚处，取水口可见细颗粒泥沙淤积。其中，①P=0.1%工况，水舌落点附近坝下110～260 m 纵向范围、坝下320 m 至堰前、电站及取水口3 个冲刷区域，大部分冲刷至基岩（高程28.00 m）；淤积区域最大高程44.20 m。②P=1.0%工况，水舌落点附近坝下140～215 m 纵向范围和坝下320 m 至堰前两个区域部分冲刷至基岩，淤积区域最大高程39.50 m，取水口可见细颗粒泥沙淤积（见图9）。

图9 P=1.0%工况冲刷形态图

调节池冲淤试验成果表明，泄洪过程中被冲起的细颗粒泥沙会进入引水隧洞，不仅影响水质，还可能引起隧洞淤积；同时冲刷坑离左岸边坡较近，易引发边坡失稳。因此，建议将调节池内的砂砾石覆盖层清除并进行衬砌，复核边坡防冲能力及结构稳定性，确保工程结构安全和供水安全。

4 结 论

1：40 水工物理模型试验结果表明，清溪水库大坝坝身泄洪闸规模及溢流堰体型均满足设计要求。优化方案调节池流态明显改善，调节池冲刷坑离左岸边坡较近，细颗粒泥沙会进入引水隧洞内，影响供水保证率。建议加强边坡抗冲设计，将调节池内覆盖层清除并衬砌，确保工程及供水安全。研究成果可为该工程设计提供技术依据，并为类似工程设计提供参考和借鉴。