水电站导流明渠设置型式优化模型试验研究

肖先优

(福建创世建设有限公司，福建 大田 366100)

1 工程概况

青山水库是一座以防洪和供水为主的综合性水利工程，主要由大坝、溢洪道、输水洞和码头构成[1]。水库大坝为黏土心墙砂砾石坝，总长735.63 m，坝顶高程96.92 m，最大坝高42.79 m。在水库工程建设过程中，综合考虑施工现场的布置需求和工程成本，采用明渠导流。导流建筑物主要由导流明渠、上下游围堰以及右侧导墙等部分构成。其中导流明渠为直接开挖，渠底宽52 m，高程84.0 m，与上游围堰的夹角为61°；上游围堰堰顶高程为109.0 m，轴线长247 m；下游围堰堰顶高程236.0 m，轴线长257 m。右侧导墙为混凝土纵向导墙设计，由上游段、右导墙坝段以及下游延伸段三部分组成。研究以水库导流明渠为例，利用模型试验的方式对进口设置型式进行优化。

2 模型试验设计

2.1 模型制作

根据此次模型试验的目的和基本要求，模拟范围涵盖了大坝坝轴线以上550 m和以下650 m的河段，并按照1∶10的比例进行模型的布置，模型的全长为11 m，宽2 m，模型的辅助部分主要由供水系统、沉沙池、退水系统组成[2]。

模型的边墙利用砖混结构制作，为了模拟天然工况的糙率，模型中导流明渠、库区以及上游河道的河床部分均按照地质调查的数据资料制作成定床，并利用水泥砂浆抹面[3]。下游河道主要模拟主河道，河床部分为动床设计，需要铺填模型砂。根据施工单位提供的资料，导流明渠基岩的抗冲刷流速为5.4 m/s，下游覆盖层的抗冲刷流速为2.0 m/s，按照兹巴斯公式计算模型砂的参数，相应模型砂的粒径为1.6～3.2 mm[4]。按照上述要求筛选散沙粒作为研究使用的模型砂。

2.2 试验仪器

南京水利科学研究院生产的旋桨式光电流速仪，主要用于试验中的流速测试；各种工况下的水深和冲淤地形参数利用钢板尺进行测量[5]；各种工况下导流明渠内的水面线测量利用水准仪；将矩形量水堰安装在模型的进水口，以控制上游的来流量[6]。

3 试验结果与分析

3.1 原设计方案试验结果

试验研究中根据设计要求，通过控制坝下0+650断面水位的方式，对坝上0+340断面的水流流量关系进行试验研究，根据试验数据，经过换算，获得如表1所示的水位流量关系。由表可知，上下游围堰的高程可以满足导流明渠施工期的最大洪水导流需求，但是右侧导墙局部高度不足，需要加高至107 m，方可满足导流需求。

表1 不同流量条件下的库水位

从试验过程中的水流流态来看，上游的围堰前以及下游围堰后均形成比较明显的回流区，并且上游回流区的面积和强度会随着泄流量的增大而增大，下游回流区的范围和强度受泄流量变化的影响相对较小，特别是回流区的范围相对比较固定。从水面线的试验结果来看，围堰上游河道的水面比较平稳，比降较小，进入明渠之后产生明显的跌落现象，且跌落值随着下泻流量的增加而增大，同时水面的波动性也显著增强。在大泄流量条件下，上下游围堰和明渠内的流速值较大，最大流速为6.8 m/s，且大多数断面的流速值均超过抗冲流速，会引起河床的严重冲刷，进而威胁建筑物稳定。特别是在3000 m3/s的流量条件下，在右导墙的墩头部位会产生较大的冲刷坑，有必要对围堰或导墙进行体型优化。

3.2 体型修改方案

导流明渠的原设计模型试验结果显示，导流明渠的进口部位存在比较明显的流态紊乱现象，且导墙墩头部位存在比较明显的绕流现象，致使墩头前产生了较大的冲坑，同时明渠内存在面积和强度较大的回流，影响到过流能力。针对上述问题，采取如下的优化思路：一是改善导流明渠的进口水流流态，尽量减轻导墙墩头部位的绕流[7]；二是尽量使易冲刷的部位远离水工建筑物，减小冲坑的深度。基于上述思路，提出如下修改方案：

修改方案1：将导流明渠上游围堰由曲线型改为直线型，使上游坡脚和导墙的坡脚对齐，围堰断面几何尺寸保持不变。

修改方案2：将导流明渠上游围堰由曲线型改为直线型，然后对导流明渠的围岩和导墙的连接部位加强防护，其具体措施为用抛石体和混凝土加固墩头部位的围堰坡面和基础。

修改方案3：上游围堰仍采用曲线形式，右侧导墙的墩头改为台阶形式设计。

修改方案4：将导流明渠上游围堰由曲线型改为直线型，右侧导墙向上游延伸部位的长度减小10 m，并将其迎水面坡度改为1∶1.5，然后对上游围堰坡面进行抛石体防护。

修改方案5：在修改方案4的基础上，对围堰堰面容易冲刷的部位采用钢筋笼防护，在坡脚的河床面采用粒径1.0 m的冲刷料防护，防护宽度为10 m，防护范围在墩头附近部位。

3.3 修改方案试验结果与分析

鉴于冲刷破坏是原设计方案存在的主要问题，研究中在3000 m3/s的流量下对上述5种修改方案进行试验，根据试验结果，获得各个方案的冲刷和淤积试验数据，结果如表2所示。从试验结果来看，各方案的冲刷坑主要位于墩头和导墙右侧部位。显然，导墙墩头和导墙右侧的冲刷坑对导墙和墩头的稳定性不利。因此修改方案2和修改方案5比较合适。同时，修改方案1、修改方案4和修改方案5的冲刷坑深度大致相同，但是修改方案1的围堰容易遭受破坏，而修改方案4的防护施工困难较大。综合上述分析，修改方案5为最佳方案。

表2 修改方案试验结果

4 推荐方案的试验研究

为了进一步验证推荐方案的合理性，对500 m3/s、1000 m3/s、2000 m3/s和3000 m3/s4种不同下泻流量下的流态、水面线、流速等水力学参数进行试验。

试验结果显示，不同下泻流量下推荐方案水流流态与原设计方案相似，但是导墙墩头部位的绕流范围和强度明显减小，水流流态较原设计方案明显平稳。在上游围堰的堰前和下游围堰的堰后均存在回流区，但是回流区的范围和强度也较原方案有所减小。由此可见，推荐方案对导流明渠的流态改善具有一定的作用。

对不同下泻流量的水面线进行测试，结果显示，导流明渠内的水面变化总体比较平稳，明渠内不存在明显的水面跌落现象，两岸水位也比较接近。从导流明渠内靠近右侧导墙部位的水位变化来看，在最大下泻流量条件下的水位较原设计方案降低1.3 m左右，因此并不需要加高该部位导墙顶的高程。

试验中对导流明渠内的流速进行详细统计分析，其两岸的流速分布试验结果如表3所示。由表中的结果可以看出，导流明渠左岸的流速均低于3.5 m/s，右侧的流速值相对较大，但均低于4.2 m/s，仅在出口的部位流速相对较大，其左岸最大值为4.1 m/s，右侧最大值为5.1 m/s。由此可见，相对于原设计方案，靠近导墙部位的流速值得到了明显的控制，已经处于基岩抗冲刷的范围之内。

表3 导流明渠两侧流速试验结果

5 结 语

此次研究利用室内试验的方式，对青山水库导流明渠的体型优化问题展开研究。根据原设计方案试验中暴露的问题，结合工程现场的实际情况，提出了5种不同的修改方案，经过试验比选，最终确定修改方案5为推荐方案，并在不同流量条件下对推荐方案进行验证。在导流明渠施工完毕次年，经历了2010 m3/s下泻流量检验，各种水力学参数与模型试验结果基本吻合，工程的运行情况良好。