邸國平 李治勤

（1.太原理工大學(xué) 030024；2.山西省水利水電科學(xué)研究院 030002）

1 澇河水庫溢洪道概述

澇河水庫位于汾河支流澇河中段，水庫溢洪道位于大壩右端，為開敞式溢洪道，設(shè)計流量260m3/s（P=2%），校核流量為914m3/s（P=0.1%），根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），原設(shè)計出口消能工采用30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)泄量177m3/s。消能采用底流消能方案。

原設(shè)計方案在泄放30年一遇及50年一遇洪水時，溢洪道進(jìn)口、一級陡坡及二級陡坡段水流平順，流速分布比較均勻，流態(tài)基本穩(wěn)定，在消力池內(nèi)也均能發(fā)生水躍；但當(dāng)泄放1000年一遇洪水時，原設(shè)計方案消力池中不能產(chǎn)生完全形式的水躍，消能方式近似變?yōu)樘袅飨?，挑射水股挑起后落在海漫上產(chǎn)生很大的動水沖擊壓力，沖擊力會把海漫段沖毀，由于溢洪道基礎(chǔ)為土基，溢洪道基礎(chǔ)很容易受到?jīng)_刷，這樣很容易威脅到消力池的安全，所以經(jīng)試驗原設(shè)計方案不能滿足工程實際要求。

2 模型設(shè)計及水利要素量測

試驗采用正態(tài)整體模型制作，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型制作滿足《水工模型試驗規(guī)程》精度的要求，模型范圍取溢洪道庫區(qū)上游150m，溢洪道下游轉(zhuǎn)彎后80m的范圍。

根據(jù)試驗設(shè)備、場地及精度的要求，采用長度比尺λl，水流各物理量比尺為：

建筑物是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其糙率np=0.015，要求模型糙率為nm=0.015/λn=0.0081，模型采用有機(jī)玻璃和聚氯乙烯板材制作，其糙率n=0.0075～0.0085，滿足要求，為方便流態(tài)觀測，側(cè)墻均選用有機(jī)玻璃板制作。

為滿足溢洪道進(jìn)口水流相似，模型中庫區(qū)部分依據(jù)設(shè)計提供的庫區(qū)地形按長度比尺縮制，表面用水泥砂漿粉制而成，出口防沖槽后也按地形圖進(jìn)行縮制。

試驗中流量用薄壁矩形堰量測；水流縱向或橫向水面線用活動測針測度；流速用畢托管量測；時均水壓力使用測壓管量測。

3 試驗成果及其分析

從原方案到修改方案共進(jìn)行了六次不同體型、不同消能工形式的放水試驗（各方案技術(shù)參數(shù)見表1），各級流量下在消力池內(nèi)均能產(chǎn)生水躍，消能形式為底流式消能，海漫段銜接情況良好，試驗對各種條件下消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍時躍前斷面的水深、流速等水力要素進(jìn)行了量測，通過分析計算得出了各方案在不同洪水等級條件下的躍前弗汝得數(shù)Fr1及消能系數(shù)Kj，結(jié)果見表2。

表1 各方案技術(shù)參數(shù)

表2 不同方案各條件下弗汝得數(shù)與消能系數(shù)

水躍的消能率和躍前的弗汝得數(shù)Fr1有關(guān)，當(dāng)Fr1＞9.0時，雖然消能率可以進(jìn)一步提高，但實驗表明，此時躍后水面的波動很大并且一直傳播到下游，這種水躍屬于強(qiáng)水躍；當(dāng)4.5≤Fr1≤9.0時，水躍的消能效率高同時水躍穩(wěn)定，躍后水面也比較平靜，因此，利用水躍消能，最好能使其Fr1位于此范圍內(nèi)。

從表2可以看出，方案五的弗汝得數(shù)50年一遇洪水條件下為8.6，1000年一遇洪水條件下為6.3，消能系數(shù)50年一遇洪水條件下為69%，1000年一遇洪水條件下為59%，均高于其他方案相應(yīng)洪水條件下的弗汝得數(shù)與效能系數(shù)。圖1為各方案在50年一遇洪水條件下，弗汝得數(shù)與消能系數(shù)的關(guān)系曲線圖。

圖1 弗汝得數(shù)與消能系數(shù)關(guān)系圖（Q2%=260m3/s）

從圖1可以看出，從原方案到方案五，弗汝得數(shù)和消能系數(shù)逐漸增大，方案五弗汝得數(shù)與消能系數(shù)達(dá)到最大，消能效果達(dá)到最理想的狀態(tài)。

原方案30年及50年一遇洪水條件下弗汝得數(shù)Fr1均小于4.5；1000年一遇洪水條件下的弗汝得數(shù)雖然在4.5～9.0之間，但是此時的效能方式已經(jīng)近似成為挑坎（消力池末端）為90°的挑流消能，而且消能系數(shù)也比較低。

方案一到方案五在各級流量下，弗汝得數(shù)均在4.5～9.0的范圍內(nèi)，而且都是逐漸增大，消能系數(shù)也在不斷增大，以方案四、五為最高。

方案四與方案五的弗汝得數(shù)與消能系數(shù)近似相等，但是方案五較方案四而言，消力池長度縮短了10m，減少了工程量，節(jié)約了投資。

5 結(jié)論與建議

通過對消力池體型及消能工的多次修改，現(xiàn)場經(jīng)過多次的放水試驗，從流態(tài)、流速以及計算所得弗汝得數(shù)與消能系數(shù)的關(guān)系得出以下結(jié)論：

1）從試驗成果可以看出，原設(shè)計方案溢洪道布置基本合理，通過修改試驗，方案五在泄放1000年一遇洪水的條件下，溢洪道能安全行洪，消力池為底流消能，消能狀況良好。

2）躍前斷面弗汝得數(shù)與消能系數(shù)從原方案到方案五，隨著每次的修改逐漸增大，方案四與方案五計算所得出的弗汝得數(shù)都在4.5～9.0的范圍內(nèi)，消能系數(shù)也基本一致，此時的消能率比較高，水躍穩(wěn)定，消能效果達(dá)到最理想的狀態(tài)，兩者均能滿足工程的需要。

3）方案四與方案五雖然消能效果基本相近，但是從減小工程量和節(jié)省投資以及消能效果各方面因素綜合考慮，最終確定方案五為最優(yōu)方案。