某水库枢纽工程多级溢洪道模型试验研究

柯腾腾

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000)

1 工程概况

高速下泄水流不仅对溢洪道沿线结构产生巨大冲击，严重威胁溢洪道运行安全，同时也将冲击下游河道，掏刷河床，影响河道内水流及河势稳定。因此，在水工建筑物设计中，如何合理有效设计消能设施，在下泄过程中有效消耗水流能量是设计的重点与难点[1]。董荣[2]等采用底流水跃消能公式对下挖式消力池水力计算结果与数值三维模型分析、水工模型试验等方法的成果吻合性较好。

某水库枢纽工程位于贵州省黎平县境内某河中游河段，某水库工程任务为农田灌溉、人畜饮水。工程等别为Ⅲ等，规模为中型，水库最大坝高58.5m，正常蓄水位603.00m，校核洪水位605.01m，总库容1085万m3，年设计供水量1462.9万m3，溢洪道布置在水库枢纽大坝右岸，为岸边多级溢洪道，由进口引渠段、第一级控制段、1#泄槽段、第一级消力池、第二级控制段、2#泄槽段及第二级消力池等组成。水平桩号总长约230.87m，轴线方位角为NW82.8°。

进口引渠段长度44.80m，底板高程597.0m。第一级控制段长度10m，堰型采用WES实用堰型式，堰高3.0m，堰面曲线为：Y=0.154X1.85，堰顶高程为600.0m，控制段设3扇3m×3m平板工作闸门，每孔净宽3.0m，1#泄槽长度37.54m，坡降1∶1.26，断面为矩形，底宽13.0m，边墙净高8.95～3.5m，末端通过反弧段接第一级消力池，反弧半径15.0m。第一级消力池长53.54m，底板高程567.00m，水流方向长53.54m，底宽13m，侧墙高9m。第二级控制端长10m，设置WES实用堰，堰高2.0m，堰面曲线为：Y=0.154X1.85，堰顶高程569.00m。2#泄槽长42.69m，坡降1∶1.8，断面为矩形，底宽13.0m，两侧边墙净高3.5m，末端通过反弧段接第二级消力池，反弧半径15.0m。第二级消力池长30.5m，底板高程543.00m，水流方向长29.5m，底宽13m，边墙高8.0m。

本文采用物理模型试验对泄水建筑物体型进行了可行性分析和试验验证，为设计优化提供科学合理建议[3]。

2 溢洪道试验模型设计

模型试验的目的是验证溢洪道布置合理性，优化两级消力池结构布置设计，改善水力特性及下游河床冲刷情况。试验模型按照重力相似准则来进行模型设计，设计方案几何比尺选定为1∶30，溢洪道试验模型按照设计资料尺寸，严格按照几何相似缩小制作。模型试验工况及相关数据详见表1。

表1 模型试验工况及相关数据

图1 某水库原设计方案溢洪道纵断面设计图(单位：m)

3 溢洪道模型试验分析

3.1 原设计方案试验

3.1.1闸孔中墩墩后水冠

原设计方案闸孔中墩采用R=1m半圆形尾墩，在常规洪水工况下，墩后形成较高的水冠，最大高度约4m，设计、校核洪水位工况下，水冠最大高度约3m。

3.1.2第一级消力池流态

溢洪道模型下泄校核洪水位对于流量后，水流在第一级消力池内不形成水跃，水流直接冲击第二级溢流堰，翻越至第二级消力池内。水流流态紊乱无规律。

模型试验结果表明，溢洪道布置不合理，未达到预期设计效果，需进行方案修改，修改方案后再进行试验。

3.2 修改方案试验

3.2.1闸孔中墩设计优化

郭瑾瑜等[4]采用物理模型试验进行验证，得出增设斜尾墩能够较好地解决溢洪道中墩水翅问题。故本次修改方案将半圆形尾墩调整为直线形尾墩，观测结果表明水冠高度降低，降至1m左右，满足要求。

3.2.2溢洪道体型优化试验

(1)增设辅助消能工。本次修改方案在第一级消力池内增设消力墩，期待水流流态稳定，在第一级消力池内形成水跃。消力墩布置如图2所示。

图2 消力墩布置示意图(单位：m)

观测成果表明，当溢洪道下泄校核洪水对应流量时，水流对第二级溢流堰冲击力增强，碰撞跃起水流翻越两侧边墙，水流范围延伸至2#泄槽，裂散水体溅击消力池边墙及溢洪道边坡程度加剧。

(2)加糙条。本次修改方案尝试在1#泄槽段加糙条，期待改善第一级消力池内不良水流流态。加糙条布置如图3所示。

图3 加糙条布置示意图(单位：m)

观测成果表明，当溢洪道下泄校核洪水流量时，1#泄槽下泄水流自第一排加糙条开始形成一定程度水翅，加糙段及其下游泄槽内水流流态更加严重，进入第一级消力池内水流水深变化不大，仍未形成水跃。

(3)第二级溢流堰加高至4m方案。本次修改方案将第二级溢流堰进行加高至4m，期望第一级消力池内形成稳定水跃。第二级溢流堰体型加高如图4所示。

图4 第二级溢流堰体型加高(单位：m)

观测成果表明，当溢洪道下泄常规至设计洪水流量时，第一级消力池内水流形成水跃，水跃起始位置随下泄流量增加，逐渐由第一级消力池前段至第一级消力池中部。其中，在中小流量工况下，第一级消力池内能形成稳定水跃，在校核洪水流量下，第一级消力池内水跃未完全形成，水流冲击第二级溢流头，引起2#泄槽内水面波动幅度较大。加大到4m方案不能使各级工况下都能形成稳定水跃。

(4)第二级溢流堰加高至5m方案。本次修改方案将第二级溢流堰进行加高到5m，期望第一级消力池内形成稳定水跃。

观测成果表明，各种工况下都能形成稳定水跃。

3.2.3推荐方案结论

根据修改方案试验模型，推荐方案为加高堰高至5m，观测成果表明，在各种工况下，第一级消力池内均可形成稳定的水跃，在校核洪水工况下，存在局部水流越过消力池边墙的现象。第一级消力池边墙进行适当加高，加高至582.00m。溢洪道纵断面图如图5所示。

图5 推荐方案溢洪道纵断面

3.2.4推荐方案模型试验

(1)泄流能力。试验结果表明，随着库水位从602.13m升至605.05m，溢洪道泄流量由49.0m3/s增至210.9m3/s，相应流量系数由0.361增到0.424。在设计洪水位603.58m、校核洪水位605.01m条件下，表孔泄流量试验值分别为122.5和208.4m3/s，较设计值分别变化-2.02%和0.66%。当溢洪道下泄设计(143m3/s)、校核洪水(207m3/s)时，库水位分别为603.63和604.99m。溢洪道泄流能力满足基本设计要求。泄流能力成果见表2。

表2 泄洪表孔泄流能力

(2)流态。工况1(校核洪水)～工况3(消能防冲洪水)条件下，溢洪道上游引渠内流速缓慢，水流平顺，呈水库型水流特性；闸孔进口两侧无明显绕流，孔内水流较平顺，未见折冲水流，但由于受到中墩及门槽局部绕流影响，孔内有较弱冲击波形成；闸孔下泄水流汇合后，在直线型墩尾后形成较弱水翅，其最大高度达2m，1#泄槽内水面均未超出两侧边墙。第一级消力池内形成稳定水跃，水跃起始位置随下泄流量增加，逐渐由反弧段首部下移至中部，水流行至堰前时，水面已渐趋稳定。第二级溢流堰及下游泄槽内，水流较为平顺，无明显冲击波形成；第二级消力池内可形成稳定水跃。

(3)水面线。试验成果表明，闸孔内水面较平顺，未见水流冲击弧门支铰；下泄水流于中墩后形成较弱水翅，引起泄槽内形成一定程度冲击波；1#泄槽内水深沿程减小，最大水深位于陡坡起始断面(桩号0+13.95m)附近，最大水深为1.20～0.84m；第一级消力池内水深沿程增大，水面未超出两侧边墙，且后半段水面已渐趋平稳，第二级溢流堰堰前水深约为9.0～7.5m(桩号0+94.34m)；第二级溢流堰附近范围水面平顺，其下游泄槽内水深沿程减小，最大水深位于陡坡起始断面(桩号0+111.91m)附近，最大水深为1.76～1.05m；二级消力池内水面高程沿程增大，校核洪水工况下，消力池中后部水面已略超出边墙顶部高程(551.0m)。

试验对工况1～工况3下2#闸孔左侧及泄槽左侧边墙水面高程进行了测量，试验成果见表3。

表3 溢洪道沿程水面高程值表 单位：m

(4)时均压力。鉴于本工程溢洪道中两级溢流堰堰面曲线型式一致，且1#泄槽落差大、坡度陡，本试验仅针对一级溢流堰至第一级消力池末端范围溢洪道底板中心沿程布置时均压力测点17个，各工况下时均压力测试值详见表4。

试验成果表明，坝顶附近及WES堰面曲线坝面前段为低压范围(5#～8#测点间)，各试验工况下均无负压出现，最小压力约为0.07×9.81kPa(8#测点)，位于WES曲线末端。泄槽缓坡段底部中心压力先降后升，且压力变化规律为随下泄流量增大而升高，最小压力约为0.61×9.81～0.31×9.81kPa。由于第一级消力池内水跃位置随下泄流量增大略有下移，反弧段内压力变化规律为随下泄流量增大而降低，反弧段末压力值为2.24×9.81～4.31×9.81kPa。第一级消力池内压力沿程逐渐升高，至消力池末端，压力值为8.39×9.81～7.64×9.81kPa。

表孔WES堰面曲线段、1#泄槽及消力池均未出现负压区，其最小压力值为0.07×9.81kPa，满足规范要求，表孔溢流面及泄槽底板压力分布正常，体型基本合理。

4 结论

针对本工程多级溢洪道设计，借助物理模型试验研究验证，分析溢洪道消能效果，得出原设计方案不合理；最终采取增加第二级溢流堰高度，加大第一级消力池池内水深的修改方案，试验成果表明：各种工况溢洪道水流流态稳定，水面线基本归束在消力池内，未超过两侧边墙，表孔溢流面及泄槽底板压力分布正常；方案调整后溢洪道布置形式及体型基本合理；后期在实际运行过程中，做好监测工作，及时记录相关水位，让理论设计与实际更加匹配，本次模型试验可为本工程溢洪道优化设计提供科学依据。同时也为类似工程多级溢洪道设计具有一定的参考指导意义。