長溪水庫泄洪建筑物體型優(yōu)化模型試驗

謝文強 周凱 王云飛

摘 要：泄洪建筑物體型結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計對保證水庫大壩安全穩(wěn)定運行具有重要意義。本文采用模型試驗的方法，對長溪水庫溢洪道結(jié)構(gòu)體型方案進(jìn)行了驗證和優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化方案能有效改善閘孔墩后水翅和一級消力池流態(tài)，與工程具有較好的匹配性，可為工程優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：泄洪建筑物;模型試驗;溢洪道;長溪水庫

中圖分類號：TV651.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0091-03

Abstract： The reasonable design of the body structure of the flood discharge building is of great significance to ensure the safe and stable operation of the reservoir dam. This paper used the method of model test to verify and optimize the structure of the spillway of the Changxi Reservoir. The optimized scheme can effectively improve the flow pattern of the water fin behind the gate pier and the first-stage stilling pool， which has a good match with the project， and can provide a scientific basis for the optimized design of the project.

Keywords： flood discharge structure;model testing;spillway;Changxi Reservoir

長溪水庫工程位于黎平縣羅里鄉(xiāng)境內(nèi)，距離貴陽市約372 km，距離黎平縣城約26 km。水庫位于長溪河中游河段，擬選壩址位于三岔口至S形轉(zhuǎn)彎的第一個彎點處。永久建筑物混凝土面板堆石壩、溢洪道和取水兼放空建筑物按50年一遇洪水設(shè)計，1 000年一遇洪水校核，消能防沖設(shè)施按30年一遇洪水設(shè)計。溢洪道布置在大壩右岸，為岸邊設(shè)閘式溢洪道，由引渠段、控制段、泄槽段及兩級消力池等組成，水平總長約為187.42 m。為了確保溢洪道具有良好的消能泄洪效果，結(jié)合水庫大壩樞紐，本文采用物理模型試驗對泄水建筑物體型進(jìn)行了可行性分析和試驗驗證，為設(shè)計優(yōu)化提供了科學(xué)合理的建議[1-2]。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 試驗條件

本設(shè)計提供的試驗條件如表1所示。表中模型水尺水位以原型下游水尺水位為基礎(chǔ)，按水面比降11%換算得出。

1.2 模型比尺及試驗范圍

根據(jù)試驗研究目的，采用正態(tài)水工整體模型，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，幾何比尺選定為1∶30（[λL]=[λh]=30），相應(yīng)其他比尺關(guān)系分別為：流量比尺[λQ]=[λL2.5]=4 929.50;流速比尺[λV]=[λn]=5.477;糙率比尺[λn]=[λL16]=1.763。溢洪道上游引渠及地形、下游河道地形等用水泥砂漿抹面制作。溢洪道采用有機玻璃制作，有機玻璃表面糙率約為0.008，換算到原型后的糙率為0.014，處于鋼模板表面糙率（0.013～0.016）范圍內(nèi)。模型制作和安裝精度均按《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》（SL 155—2012）的要求控制[3]。

2 設(shè)計方案試驗驗證

2.1 中墩墩后水冠

設(shè)計方案中，閘孔中墩采用半徑為1 m的半圓形尾墩，工況2（百年一遇洪水）條件下，墩后出現(xiàn)無水區(qū)，兩側(cè)水流在墩后1 m處交匯碰撞，于墩后12 m范圍形成水冠，最大高度達(dá)4 m，并且偶爾有裂散水體濺擊兩側(cè)邊墻。水冠落于底板后形成一定程度的沖擊波，不利于保持泄槽水流流態(tài)。而在溢洪道下泄113 m3/s（30年一遇洪水）和207 m3/s（校核洪水）流量時，水冠高度則有所降低，最大高度均約為3 m。

2.2 一級消力池流態(tài)

溢洪道下泄49 m3/s流量時，溢洪道一級陡槽泄流進(jìn)入一級消力池，然后在反弧段下游18 m處形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，至二級溢流堰前水面仍有一定程度波動。隨著溢洪道下泄流量的增大，一級消力池內(nèi)流態(tài)逐漸由遠(yuǎn)驅(qū)水躍過渡為急流直接沖擊尾坎（二級溢流堰）。當(dāng)溢洪道下泄洪水流量超過100 m3/s時，一級消力池內(nèi)即開始不能形成水躍，急流直接沖擊尾坎，隨后水流翻越二級溢流堰，挑射至二級泄槽內(nèi);隨著流量逐漸增大至207 m3/s（校核洪水），一級消力池末端水流沖擊尾坎形成的挑射水流紊亂程度加大，時而出現(xiàn)裂散水體由兩側(cè)邊墻頂部濺出的現(xiàn)象，其挑射范圍亦逐漸增大到二級泄槽末端[4-5]。

設(shè)計方案流態(tài)觀測結(jié)果表明，閘孔中墩后形成水冠引起一級泄槽內(nèi)存在一定程度的沖擊波;溢洪道下泄中、大洪水時，一級消力池內(nèi)流態(tài)較差，急流直接沖擊尾坎，未達(dá)到預(yù)期的效能效果。因此，試驗研究重點是解決上述問題，尤其是需要使得一級消力池能夠在不同的水流條件下均形成穩(wěn)定的水躍。

3 設(shè)計方案優(yōu)化分析

3.1 中墩體型優(yōu)化

針對設(shè)計方案中的墩后不利流態(tài)，本研究考慮將半圓形尾墩修改為長度為4 m的直線形隔流墩。在溢洪道下泄100～207 m3/s（校核洪水）流量洪水時，修改方案流態(tài)觀測試驗結(jié)果表明，墩尾水冠高度由設(shè)計方案中的3～4 m減小到1～2 m，泄槽內(nèi)沖擊波高度較設(shè)計方案亦有所減小。

3.2 溢洪道結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化

本文從增設(shè)輔助消能工和加大二級溢流堰堰高兩個方向進(jìn)行了4種方案的對比試驗研究，以期通過這些措施改善一級消力池內(nèi)的不良流態(tài)。

3.2.1 增設(shè)輔助消能工。其主要涉及兩個方面。

3.2.1.1 消力墩。由于設(shè)計方案中一級消力池內(nèi)存在急流沖擊尾坎的問題，首先在消力池內(nèi)（反弧段下游15 m處）增設(shè)了1排消力墩，以期利用障礙物迫使水流形成水躍。流態(tài)觀測試驗成果表明，當(dāng)溢洪道下泄100 m3/s流量洪水時，一級陡槽下泄水流直接頂沖消力墩，于墩后消力池范圍內(nèi)形成水翅，時而出現(xiàn)裂散水體越過邊墻濺擊兩岸的現(xiàn)象，一級消力池內(nèi)仍然無法形成穩(wěn)定的水躍。隨著下泄流量增大，溢洪道下泄207 m3/s（校核洪水）流量洪水時，水流對消力墩的沖擊力增強，碰撞躍起的水翅遠(yuǎn)超兩側(cè)邊墻墻頂高程，水翅范圍延伸至二級陡槽，裂散水體濺擊消力池邊墻及溢洪道邊坡的程度加劇。

3.2.1.2 加糙條。由上述試驗成果分析可知，在一級消力池內(nèi)增設(shè)消力墩后，池內(nèi)仍然難以形成穩(wěn)定的水躍，原因是下泄水流的入池流速過高。因此，本研究嘗試在一級陡槽斜坡段上增設(shè)加糙條，期望通過人工增加陡坡的糙度來降低水流流速，進(jìn)而改善一級消力池內(nèi)流態(tài)。流態(tài)觀測試驗成果表明，當(dāng)溢洪道下泄207 m3/s流量洪水時，一級陡槽下泄水流自第一排加糙條開始形成一定程度的水翅，加糙段及其下游泄槽內(nèi)水流紊動程度加劇，入池水流水深略有增加，但在一級消力池范圍內(nèi)仍未形成水躍。當(dāng)溢洪道下泄較小流量洪水時，下泄水流直接頂沖第一排加糙條，隨后挑射至一級泄槽中后部，時而出現(xiàn)裂散水體越過邊墻濺擊兩岸的現(xiàn)象。

3.2.2 二級溢流堰加高。由上述試驗成果分析可知，單純在一級消力池內(nèi)增設(shè)消力墩、加糙條等一些輔助消能工后，池內(nèi)流態(tài)無明顯改善，還可能引起水翅濺擊兩岸以及輔助消能工的空化空蝕、穩(wěn)定等問題。因此，嘗試將二級溢流堰加高，期望通過增加池內(nèi)水深來促使水躍形成。試驗中共比較了堰高4 m和5 m方案（下稱比較方案1和比較方案2）的流態(tài)。二級溢流堰加高體型示意圖如圖1所示。圖中的各項高程數(shù)據(jù)的單位均為米（m）。

比較方案1流態(tài)觀測試驗成果表明，當(dāng)溢洪道下泄100～207 m3/s流量洪水時，一級消力池內(nèi)均可形成水躍，水躍起始位置隨下泄流量的增加，逐漸由反弧段下移至消力池中部。其中，在中小流量工況（100～148 m3/s）下，一級消力池內(nèi)均能形成穩(wěn)定的水躍，水躍起始位置均位于一級泄槽反弧段及其下游附近區(qū)域，漩滾區(qū)延至二級溢流堰堰前25～15 m處，水流行至堰前時，水面漸趨穩(wěn)定;但在校核洪水工況下，一級消力池內(nèi)水躍尚未發(fā)展充分，其水躍漩滾區(qū)范圍已達(dá)二級溢流堰堰前，過堰水流波動強烈且涌浪較高，引起二級泄槽內(nèi)水面波動幅度較大。由此可見，二級溢流堰堰高加大至4 m，仍然不能在各級流量工況下形成穩(wěn)定的水躍。因此，為了進(jìn)一步改善大流量工況下一級消力池內(nèi)的流態(tài)，筆者開展了比較方案2的相關(guān)試驗研究。

比較方案2流態(tài)觀測試驗成果表明，二級溢流堰堰高加大至5 m后，當(dāng)溢洪道下泄校核流量洪水時，一級消力池內(nèi)已可形成穩(wěn)定的水躍，水躍起始位置位于反弧段中部，漩滾區(qū)延至二級溢流堰堰前約8 m處，水流行至堰前時，水面波動已明顯減弱;池內(nèi)水深隨著二級溢流堰的進(jìn)一步加高而加大，消力池中后部偶爾出現(xiàn)涌浪越過兩側(cè)邊墻頂部的現(xiàn)象。

3.3 體型優(yōu)化試驗成果分析

在一級消力池內(nèi)增設(shè)消力墩、加糙條等一些輔助消能工，不僅未能明顯改善池內(nèi)流態(tài)，還有可能引起水翅濺擊兩岸以及輔助消能工的空化空蝕、穩(wěn)定等問題。相比于增設(shè)輔助消能工的方式，通過加大二級溢流堰堰高的方式來促使水躍形成顯得更為有效。

二級溢流堰堰高4 m方案（比較方案1）中，在中小流量工況下，一級消力池內(nèi)均能形成穩(wěn)定的水躍，但在校核洪水工況下，一級消力池內(nèi)水躍尚未發(fā)展充分，其水躍漩滾區(qū)范圍已達(dá)二級溢流堰堰前，過堰水流波動強烈且涌浪較高。

二級溢流堰堰高5 m方案（比較方案1）中，在各級流量工況下，一級消力池內(nèi)均可形成穩(wěn)定的水躍，僅在校核洪水工況下存在涌浪越過兩側(cè)邊墻的現(xiàn)象。鑒于此，筆者推薦設(shè)計采用二級溢流堰堰高5 m的方案，并建議將一級消力池兩側(cè)邊墻進(jìn)行適當(dāng)加高。

3.4 泄洪建筑物體型推薦方案

根據(jù)以上試驗成果，二級溢流堰堰高5 m方案可滿足在不同的來流條件下一級消力池內(nèi)均可形成穩(wěn)定水躍的設(shè)計要求，推薦設(shè)計采用，并根據(jù)水面線情況將兩側(cè)邊墻高程適當(dāng)加至582 m，如圖2所示。

4 結(jié)語

長溪水庫工程推薦方案中，泄洪消能建筑物布置形式基本可行，各運行工況下閘孔墩后水翅和一級消力池流態(tài)均較原設(shè)計方案有明顯改善，但在下泄流量較大時，二級消力池中后部偶爾出現(xiàn)涌浪越過兩側(cè)邊墻頂部的現(xiàn)象，建議適當(dāng)加大二級消力池邊墻高程。

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