台阶溢洪道消力池体型优化设计模型试验研究

刘利军

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110166）

1 工程背景

李金水库位于辽宁省绥中县大王庙镇境内的王宝河支流上，是一座以防洪和灌溉为主，兼有供水、养殖等诸多功能的小（1）型水库。水库坝址以上河长15.70 km，控制流域面积29.20 km2，河道比降为2.43%。水库始建于20世纪70年代，设计标准为50年一遇，校核标准为100年一遇。根据工程的初始设计，水库的死水位为109.50 m，死库容为44.22万m3；正常蓄水位为118.00 m，正常高水位库容为397.09万m3；设计洪水位为122.45 m，设计洪水位库容为736.23万m3；校核洪水位为124.55 m，校核洪水位库容为930.19万m3。水库建筑物主要由大坝、溢洪道和输水洞组成。其中，水库大坝为粘土心墙砂壳坝，溢洪道为开敞式宽顶堰。经过多年的运行，目前水库的病险问题比较突出，存在严重的工程安全隐患，亟待进行除险加固。

根据除险加固工程设计，水库防洪标准要提高到200年一遇，校核标准为1 000年一遇。由于防洪标准大幅提高且原溢洪道损毁严重，因此需要大部拆除重建。新建的溢洪道位于大坝右岸，主要由引渠段、控制段、陡槽段、扩散段、消力池及护坦组成。其中，泄槽段采用长2.00 m、高1.00 m的台阶进行消能；溢洪道的出口采用底流消能，后接消力池。消力池长46.00 m、宽17.00 m、深6.30 m。

2 原设计方案试验评价

2.1 模型设计与制作

此次试验采用重力相似准则进行试验模型的设计[1]，结合工程的原始设计和场地因素，选择1∶60的几何比尺，并以此为基础计算获取其他物理量比尺，结果如表1所示。

表1 模型试验物理量比尺

在模型制作过程中，按照设定的几何比尺制作125.00 m高程以下的库区地形，左岸102.00 m，右岸101.00 m以下的河道地形。整个模型采用断面模板法，按照1∶1 000的比例进行制作，并对部分特殊地形进行加密处理[2]。

模型的引渠段、控制段、陡槽段、扩散段、消力池均使用厚度为10 mm的有机玻璃板制作，其糙率正好可以拟合混凝土的糙率，满足试验设计的具体要求[3]。整个溢洪道每隔1.00 m设置一个角钢框架结构，以保证模型的稳定性[4]。

2.2 测量方法和设备

试验中的水深数据利用钢板尺直接测量，并以测量数据为依据绘制出水面线[5]；压强数据采用测压管进行测量[6]，流量Q数据则使用宽度为60 cm的薄壁量水堰进行量测，其计算公式：

式中：H为堰上水头，m；P为堰高，m；B为堰宽，m；H0为修正后的水头，m。

水位高度利用测针进行测量，测量过程中应缓慢接近水面，当其针头刚好接触水面时开始读数[7]；流速V的测量使用8 mm毕托管，以实现不同试验工况溢洪道各部位的流速场变化情况[8]，其计算公式：

式中：φ为流量系数，取1；g为重力加速度，m/s2；h为液面的高差，m。

2.3 试验工况

结合背景工程的防洪设计标准和初始工程设计，确定如表2所示的不同试验工况及具体参数。

表2 试验工况设计表

2.4 初始方案试验结果

利用制作的水工模型，对溢洪道初始设计方案进行模型试验，结果显示：陡槽段、消力池和池后海漫段的水流流态较差。在水流经过陡槽段台阶边缘时，水流会完全填充台阶面，没有空腔存在，水流完全凭借剪切力在台阶的折角部位形成漩涡。在校核工况下，由于水流量加大，台阶处的水流表现为滑行水流，在进入消力池后沿底部向前流动，并在池前部产生明显的回流，在消力池的中后部存在明显的水流雍高现象。由此可见，虽然台阶部分进行了部分消能，但是消力池的消能效果不佳，造成水流在出池时的流速仍然偏大，极易造成下游河道的冲刷。由于主流的整体流速较大，水流在消力池内没有形成完整的水跃，因此，造成池尾部位的水面雍高，池后部的压强较大。由此可见，消力池的原设计方案未能达到消能设计效果，需要进一步优化设计。

3 消力池优化设计

3.1 优化设计方案

鉴于原始设计方案消力池中的水流流态较差，在出口部位形成二次水跃，造成下游河床的严重冲刷，同时消力池内存在回流现象，因此，针对原设计方案中的常规消力池设计进行优化和改进。改进思路：一是对消力池进行加宽和加深；二是在消力池尾坎部位设置等间距的倒三角形楔体尾墩；三是上述2种方式的结合。基于上述改进思路，提出3种不同的优化设计方案，见表3。鉴于初始设计方案在设计水位工况下的水流流态就明显偏差，且该工况也是以后溢洪道的主要开启和使用工况，因此，对优化方案在设计水位工况下展开试验，根据试验结果对优化方案进行评价。

表3 优化方案设计内容

3.2 优化方案试验结果

3.2.1水流流态

通过模型试验可以看出，3个优化方案的台阶凹角部位都存在比较明显的漩涡，受消力池空间的限制，方案2靠近消力池前部的部位形成水跃；方案2和方案3由于消力池空间较大，靠近消力池的底部并形成比较完整的水跃，消能比较充分。方案3和方案2相比，消力池内和下游海漫段的水流流态更为平顺，大部分水流随主流在消力池靠近底板位置形成比较充分的水跃，能量的耗散也比较充分，可以有效减轻下游的冲刷。

3.2.2流速

模型试验中对3种不同优化方案消力池以下游海漫段各个关键断面的流速进行测量，其中每个断面设置3个测点，分别位于左岸、右岸和中心线部位。其中，左岸和右岸测点位于距离边墙5 cm部位。每个测点都进行3次测量，以其均值作为最终试验结果。对试验结果进行整理，如表4所示。从表4中的结果可以看出，在3种优化方案下，溢洪道消力池和下游海漫段的中心线部位存在急流，但是所有监测点的流速值均为正值，说明在经过方案优化之后，消力池和下游海漫段不存在明显的回流现象，水流的流态更为平顺。从3种优化方案的对比来看，方案3的中心线部位的流速值较方案1和方案2明显偏小，说明对急流的控制作用更为明显；中心与两侧的流速差更小，说明水流流态分布更为均匀，可以取得更为理想的消能效果。

表4 各关键断面流速试验结果m/s

3.2.2压强

模型试验中对3种不同优化方案消力池以下游海漫段各个关键断面的压强进行测量，每个测点都进行3次测量，以其均值作为最终试验结果。对试验结果进行整理，如表5所示。从表5中可以看出，在3种优化方案下，池内和池后海漫段的压强分布较为均衡，不存在比较明显的突变。由于水流进入消力池后可以充分扩散和消能，因此底部压强的分布基本一致。由于主流在前行中会装机消力池尾坎折角，因此，靠近尾坎部位的压强稍有增大，同时各方案下消力池内均不出现负压。3种方案对比来看，方案3的压强分布更为均衡，消力池各部位的压强变化较为平稳，应该为最佳方案。

4 结语

溢洪道的优化设计对保证水利工程泄洪安全具有重要意义。为了解决背景工程常规消力池消能效果不明显，消力池和下游海漫段水流流态较差的问题，研究中提出了3种不同思路的消力池优化设计方案。通过模型试验的结果分析，认为方案3条件下的池内和海漫段的水流流态最为平稳，为最佳设计方案。当然，此次优化研究仅针对消力池的体型展开，没有进一步探索台阶尺寸和型式对消能效果的影响，也没有探讨和分析下游不同消能工与台阶溢洪道联合使用时的水力特征，因此，在今后的研究中仍需要在上述方面进行更为深入的研究和分析，以便为工程设计和建设提供更有力的支持和帮助。

表5 各关键断面压强试验结果 MPa