西梁水庫溢洪道水工模型試驗研究

田 杰

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

1 工程概況

西梁水庫溢洪道位于大壩右側(cè)軸樁號0＋273.6處，堰頂高程552.5 m，汛限水位552.5 m。設(shè)計洪水位555.22 m，下泄流量104.5 m3/s，校核洪水位556.77 m，下泄流量204.5 m3/s，為開敞式溢洪道，由引渠段、控制段、一級消力池、水平直線段、水平轉(zhuǎn)彎段、泄槽段、二級消力池等七部分組成，全長365.3 m。

控制段采用箱涵型式?？刂贫魏笤O(shè)一斜坡漸變段，底板寬度由15.8 m變?yōu)?0 m，漸變段長6 m，縱坡1∶1.4。斜坡漸變段后設(shè)一級消力池，長10 m，深1.0 m。一級消力池后設(shè)水平直線段，長21.5 m。水平直線段后設(shè)水平轉(zhuǎn)彎段，長33.8 m，水平轉(zhuǎn)彎段后接泄槽，長182 m，縱坡10.27%。泄槽末端接二級消力池，長35 m，深2.7 m，為減少消力池邊墻高度，在距離消力池首部4.56 m處設(shè)消力墩。二級消力池后設(shè)40 m長的海漫和10 m的拋石防沖槽。溢洪道平面布置圖及側(cè)視圖見圖1和圖2。

圖1 溢洪道平面布置圖

2 試驗?zāi)康呐c模型設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康呐c內(nèi)容

1）通過水工模型試驗，驗證溢洪道布置方案的合理性。

2）驗證溢洪道的泄流能力、水面線、流速等計算成果，為設(shè)計提供依據(jù)。

圖2 溢洪道側(cè)視圖

3）驗證溢洪道消能形式的可行性，并對其消能工體型進行優(yōu)化。

4）觀察并描述溢洪道進口、泄槽及消力池等部位的水流流態(tài)，對不良流態(tài)提出改善措施。

5）提供海漫段和拋石防沖槽段水面線、流速分布情況、沖刷情況的評價及改善措施。

2.2 模型設(shè)計及比尺選擇

模型遵循重力相似準(zhǔn)則，并按照佛汝德定律進行設(shè)計，根據(jù)試驗設(shè)備、場地及供水能力等條件，并依據(jù)模型試驗規(guī)程的精度要求，采用長度比尺λL＝40的整體正態(tài)模型。

2.3 模型制作及量測儀器

模型制作及安裝按照《水工常規(guī)模型試驗規(guī)程》SL155—95中相關(guān)條款的要求進行。

建筑物系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其糙率np＝0.015，要求模型糙率為nm＝0.008 1。模型采用有機玻璃和聚氯乙烯板材制作，其糙率n＝0.007 5～0.008 5；滿足要求。

為了滿足溢洪道進口水流的相似，模型中庫區(qū)部分依據(jù)設(shè)計提供的庫區(qū)地形圖按照長度比尺縮制，表面用水泥砂漿塑制而成。出口防沖槽以后也按照地形圖進行縮制。為了方便觀測流態(tài)，溢洪道側(cè)墻采用有機玻璃板制作，底板用聚氯乙烯塑料板材制作。

試驗所用量測設(shè)備：總流量用三角量水堰控制（下游用矩型堰復(fù)核流量）；水面線用活動測針測讀；流速用OA型直讀式微型旋漿測速儀量測；時均壓力用測壓管測量。

3 設(shè)計方案試驗

3.1 設(shè)計方案泄流能力

設(shè)計方案下特征水位的泄量與試驗實測泄量比較見表1。

表1 溢洪道設(shè)計泄量與試驗實測泄量比較

由表1可知：設(shè)計條件下，庫水位為555.22 m時，相應(yīng)的試驗流量為102 m3/s，比計算值約小2.39%，小2.5 m3/s；校核條件下，庫水位為556.77 m時，相應(yīng)的試驗流量為197.8 m3/s，比計算值約小3.28%，小6.7 m3/s。由此可知，溢洪道的泄流能力基本滿足設(shè)計要求（試驗值略小于計算值）。

3.2 設(shè)計方案溢洪道壓力分析

設(shè)計條件下，泄槽段沒有形成摻氣水流，只是在斜坡段（0－71.3～0－65.3）的0－70.97附近出現(xiàn)負壓。0－65.3附近底板壓力超過4.63 m；一級消力池0－56.1斷面處右側(cè)墻壓力超過4 m；泄槽末端與消力池中壓力均超過4 m，達5 m以上。

校核條件下，斜坡段0－70.97附近出現(xiàn)負壓。0－65.63附近、0－64.9處側(cè)墻處、0－55.3附近右側(cè)墻和底板處、二級消力池處壓力為6～7 m之間。

拆除輔助消能工后，二級消力池坎側(cè)面中部壓力7.75 m。

3.3 設(shè)計方案溢洪道流態(tài)

試驗觀測表明：設(shè)計條件下（104.5 m3/s），庫區(qū)水流平順，由于溢洪道引渠不對稱，導(dǎo)致溢洪道進口（引渠段）水流流態(tài)不好，一級消力池（055.3～65.3）內(nèi)，水流流態(tài)紊亂，沿水流方向翻滾，同時由于斷面的收縮，側(cè)向也有翻滾，校核條件下（204.5 m3/s），庫區(qū)水流平順，水流到達一級消力池后，形成3～6 m/s的翻滾水體，水流流態(tài)紊亂。

3.4 設(shè)計方案溢洪道水深

試驗測得，設(shè)計條件下（104.5 m3/s），二級消力池內(nèi)水面高程最高達536.224 m，超過了設(shè)計側(cè)墻高程536 m；校核條件下（204.5 m3/s）；在二級消力池內(nèi)水面最高高程為538.53 m，

3.5 設(shè)計方案溢洪道流速

設(shè)計條件下（104.5 m3/s），流速分布在引渠進口段不均勻，斷面左側(cè)流速是0.23 m/s右側(cè)流速幾乎為零，進入泄槽段，水流形成急流，流速在5～15 m/s之間，中線流速大于左右兩側(cè)流速，大部分底部流速大于表流速，防沖槽段流速在4 m/s以下，下游流速在2 m/s以下。校核條件下（204.5 m3/s），由于溢洪道引渠不對稱，導(dǎo)致進口流速分布不均勻，在0＋217消力池出口處流速8 m/s以上；在0＋217～0＋242海漫段底流速達8 m/s以上，防沖槽內(nèi)和下游流速在4 m/s以下。

3.6 設(shè)計方案無消能工條件下流態(tài)、水深及流速分析

設(shè)計方案在泄槽下游二級消力池內(nèi)設(shè)消能工，下游去掉輔助消能工后泄放設(shè)計流量時，依然在0＋170處開始形成水躍，平均流速為12.85 m/s，比有消能工14.34 m/s小了1.49 m/s。在二級消力池出口流速為4.5 m/s，和有消能工相近。池內(nèi)最高水面達534.59 m，較有消能工水面最高536.224 m低1.6 m左右。0＋217～0＋227段流速與有消能工情況相差不大，水深要小1 m左右。在0＋250附近形成二次水躍比有消能工條件下提前2 m。海漫段流速7 m/s左右。

校核條件下，在0＋193.4斷面開始起跳，形成水躍，比有消能設(shè)施水躍推后17 m左右。池內(nèi)水流紊動、混摻強烈，水面跳躍，最高水面536.59 m，在出口處水面最高達536.9 m。與有輔助消能設(shè)施相比，水面最高降低了近2 m，海漫段的平均流速也有些許的下降，但底部流速卻在部分位置超過10 m/s。

4 設(shè)計方案存在問題及改進意見

由溢洪道設(shè)計條件及校核條件觀測資料可以看出總體設(shè)計方案基本合理，但存在一些問題，在可能的條件下，應(yīng)做必要的修改，以使設(shè)計更加完善，達到經(jīng)濟合理安全可靠的目的。

由于溢洪道位于大壩右側(cè)，引渠進口斷面不對稱，從庫區(qū)引渠段看：左側(cè)墻頂高程隨地形向上游延伸，加之左側(cè)墻有部分墻高低于水面，有部分水流由側(cè)墻翻入引渠中與正向來水形成交匯，形成漩渦，并使箱涵左孔流速大于右孔，建議加高左邊墻使引渠水流全由進口流入。

斜坡及一級消力池段，因入池水流佛氏數(shù)不足2，消能率低，故消力池中形成不穩(wěn)定水躍，受兩側(cè)墻水流的壓縮作用，產(chǎn)生橫向漩渦，校核情況下出池水流波動大且不穩(wěn)定，局部水流超過邊墻，水流有折沖，使得直線段的水面波動較大，進入彎道后水面左右高差加大，需對消力池地板高程及邊墻擴散長度等做局部修改，同時對平坡段做一定調(diào)整水流的措施，使其更加均勻穩(wěn)定，以保證進入陡坡段水流更加均勻。

泄槽段（陡坡段）水流無明顯折沖，雖有菱形波，但基本對稱，陡槽中水深各斷面左中右基本一致，流速沿程逐漸增大，陡坡段不需做相關(guān)修改，只是局部邊墻應(yīng)適當(dāng)加高。

當(dāng)消力池中有消能工或無消能工時，在設(shè)計情況下，消力池中均能產(chǎn)生完整水躍，池長有一定富余，而在校核情況下，則當(dāng)池中有消能工時，池前產(chǎn)生立式漩渦，池后水面有大的波動，出池水流紊亂，邊墻高度明顯不足；當(dāng)池中無消能工時，池中產(chǎn)生遠趨式水躍，躍尾部分沖出池外，池中水流紊亂波動大，池后邊墻高度不足，因此，建議考慮減小入池單寬流量，即采用擴散式消力池或突擴式消力池，使入池水深h1減小，其共軛水深h2也相應(yīng)減小，也可考慮降低池深以增大h2以滿足校核流量對消能的要求。

由于河道尾水低，出池水位高，加之出池后海漫段體型擴散，在海漫形成急流，故在與河床水位連接處產(chǎn)生二次水躍，在設(shè)計情況時海漫上流速達到6～7 m/s，干砌石難以承受，同時海漫兩側(cè)流速也較高需考慮必要的防沖措施，建議根據(jù)地形地質(zhì)情況降低消力池底板高程，相應(yīng)的降低海漫高程，以減小出池水流與河流水位的落差。

總之，從溢洪道試驗資料看，溢洪道設(shè)計基本正確，但對于局部有缺陷的地方，需根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況做一些必要的修改。