溢洪道体型优化水工模型试验研究

胡良才，李会平

（1.中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021；2.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

0 引言

溢洪道是水利工程中常用的泄洪建筑物，具有泄流能力大、水流流速高等特点。溢洪道体型设计不合理时易发生破坏[1]，严重的可能危及大坝安全。优化溢洪道设计方案，保证泄流安全，同时最大限度降低工程投资一直是国内外研究的热点。

水工模型试验可以模拟复杂的水流现象，其准确性及价值得到了工程界的高度认可，是目前溢洪道研究的主要手段。朱翠民等[2]针对溢洪道受横向水流影响，导致引水渠两侧导墙处水流流态较差的问题，采用模型试验研究了导墙型式对水流过流的影响；胡良明等[3]采用模型试验方法研究了溢洪道水流流态及消能率；张霄[4]针对猴山溢洪道原设计方案迷宫堰背坡面存在明显负压区，可能产生空化空蚀的问题，对溢洪道体型进行了优化，并采用模型试验研究了优化体型的水流流态、压强等；李桢等[5]针对溢洪道挑流水舌扩散形态不佳，导致消能效率不理想的问题，采用水工模型试验对溢洪道体型进行优化研究；何志亚等[6]针对沙河水库溢洪道下游河谷狭窄，河道地形地质条件复杂等问题，对溢洪道挑流鼻坎体型进行优化，并进行了数值模拟和模型试验研究；杨东玲[7]针对轿顶子溢洪道挑流鼻坎原设计方案存在的问题，优化了鼻坎体型并利用模型试验方法验证了优化方案的可行性及合理性。

诸多学者的研究成果对于提高溢洪道设计水平，保障其泄流及结构安全作出了突出贡献。但各工程实际条件千变万化，影响溢洪道安全的因素众多，工程设计建造时不可完全照搬其他工程设计经验[8]。下面通过水工模型试验，来研究验证石头峡水电站溢洪道结构型式的合理性，并对溢洪道整体体型进行优化。

1 工程概况

石头峡水电站位于湟水河一级支流大通河中游，是“引大济湟”调水工程的枢纽工程，电站由面板堆石坝、开敞式溢洪道、泄洪洞、引水及发电系统等组成。水库大坝最大坝高114.50 m，总库容9.85×108m3，属Ⅱ等大（2）型工程。根据坝址处地形地质条件，采用岸边溢洪道泄洪。溢洪道布置在右岸，由引水渠、闸室段、溢流堰、渐变段、陡槽段、挑流消能段组成。设计洪水位3 087.02 m时，溢洪道下泄流量Q为481.21 m3/s；校核洪水位3 088.54 m时，下泄流量Q为653.92 m3/s。

2 模型设计及制作

2.1 水工模型设计

溢洪道模型采用正态整体模型，按照重力相似准则[9]设计。考虑试验场地尺寸、水泵供水能力及模型材料糙率，确定长度比尺λL为54.54。经计算，时间比尺λt为7.39，速度比尺λV为7.39，流量比尺λQ为21 967.86，糙率比尺λn为1.95。

2.2 模型制作

模型试验模拟范围包括库区、溢洪道及下游部分河道，库区模拟范围为引水渠进口前150.00 m，左右各90.00 m，下游河道模拟范围为自挑坎出口以下250.00 m。为保证进流条件相似，进水口附近库区按几何相似原则放样制作，用混凝土抹面。制作库区及下游河道地形时采用断面法，根据地形复杂程度确定断面的疏密程度[10]。为便于观察水流流态，溢洪道模型采用有机玻璃制作。

2.3 量测设备

试验过程中，采用四角型量水堰测量泄流量；采用南京水科院生产的直读式旋浆流速仪测量流速；使用水位测针测量水位，测针分别布置在库区（测量库内水位）、溢洪道下游河段（测量河道水位）、量水堰（测量模型试验泄流量）3个位置。

3 初始设计体型试验成果分析

3.1 初始设计方案

初始设计溢洪道包括闸室、驼峰堰、陡槽段、挑流消能段。闸室进口高程3 080.50 m，长20.00 m，宽25.00 m，共3孔；驼峰堰堰顶高程3 082.00 m；陡槽段为梯形断面，边坡V∶H=1∶0.5，陡槽底坡i=0.02；挑坎位于陡槽末端，高程为3 078.88 m。

3.2 泄流能力

设计水位时，试验实测溢洪道泄流能力为439.65 m3/s，比设计泄流能力480.63 m3/s小8.5%。

3.3 水流流态

由于引水渠段长度较短，对水流收束能力不足，试验中观察到闸室进口右侧出现小范围漩涡，但不会对闸孔进流产生太大影响。由于陡槽底坡较缓（i=0.02），泄流过程中陡槽内出现冲击波。同时，水流弗汝德数很低，挑坎水流在任何水位时都无法顺利挑出形成有效挑流水舌，挑坎处基本处于“贴壁流”状态。

4 优化体型试验成果分析

4.1 体型优化方案

由于初始设计体型泄流能力不足，且存在诸多不良水力现象，对初始体型进行了优化设计。将闸室由3孔变成单孔，净宽由21.00 m调整为12.00 m；溢流堰位置向下游移动，同时堰型由驼峰堰改成WES堰，堰顶高程由3 082.00 m降至3 078.00 m；陡槽底坡i由0.02增加到0.10，断面由梯形调整为矩形；挑坎高程降低至3 065.00 m。

4.2 泄流能力

体型优化后，不同闸门开度e下溢洪道水位流量关系见图1。由图1可见，各水位下溢洪道泄流能力均大于设计值，其中设计水位时模型实测值比设计值约大8.5%，泄流能力满足要求。分析原因是，溢流堰向下游移动后，引水渠长度增加了约80.00 m，闸室进流条件得到改善；闸室由3孔改为单孔后，进流宽度与闸孔宽度相同，水流收缩影响很小。

图1 闸门不同开度下溢洪道水位流量关系

4.3 水流流态

引水渠进口处，水面产生轻微的跌落，不会对溢流堰的泄流产生影响。各水位下引水渠内水流流态均比较平稳，未发生明显漩涡或回流。由于没有闸墩影响，陡槽段流态非常平顺，水面未出现不良水力现象。同时，挑坎高程比初始设计体型降低13.88 m，水流获得了足够的动能，以比较理想的形态挑出落入下游河谷。设计及校核水位下，挑坎内侧陡槽边墙高度小于水深，考虑到水流掺气后水深增加，因此，需适当增加边墙高度，以确保溢洪道安全运行。

4.4 水流流速

设计水位时溢洪道引水渠及挑流消能段水流表面流速见图2。由图2可见，在重力作用下进水口及陡槽内流速沿程增加，水深沿程相应减小。设计及校核水位时，挑坎处的水流流速为16.43～18.71 m/s，这个量级的流速实际上已进入到高速水流范畴，但该工程挑坎体型简单，不易引发空蚀破坏。挑流水舌的挑射距离基本与设计计算值一致，实测挑距约65.20 m，比设计值62.10 m稍大，是因为模型测量的是水舌外缘，而设计值计算的是水舌中心。

图2 设计水位引水渠及挑坎水流表面流速（单位：m/s）

5 结语

综上所述，溢洪道初始设计体型泄流能力不足，无法有效宣泄入库洪水，泄流时陡槽前端出现较为明显的冲击波，且挑坎处水头落差较小，任何水位下均无法形成有效挑流水舌；优化体型泄流能力大于设计要求，各水位下溢洪道整体水流流态均较好，陡槽末端挑坎水舌的挑射距离与设计值基本一致，但挑坎两侧边墙高度偏小，应适当加高边墙高度，防止掺气水流越过边墙，冲刷淘空挑坎基础。研究成果为溢洪道优化体型工程应用提供了强有力的技术支撑，但由于试验条件限制，未进行溢洪道掺气减蚀试验，后继将加大采取掺气减蚀措施优化溢洪道体型方面的研究。