劉 騰，楊勝發(fā)，李立強(qiáng)，謝 龍

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074)

溢洪道作為常見(jiàn)的泄水建筑物，通常由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消能防沖段和出水渠段等幾部分組成［1］，可宣泄洪水，防止洪水漫溢壩頂，從而保證大壩的安全。而作為溢洪道龍頭的進(jìn)水渠，其作用是將水庫(kù)的水平穩(wěn)的引到控制段［2］。一般來(lái)講，進(jìn)水渠水流的流態(tài)直接影響到溢洪道泄流能力和水電站的運(yùn)行效果，因此，進(jìn)水渠的合理設(shè)計(jì)是溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)表明，進(jìn)水渠設(shè)計(jì)不當(dāng)將導(dǎo)致水流流態(tài)不平順、不穩(wěn)定，直接影響溢洪道泄洪，甚至危及電站的運(yùn)行［3］。

1 工程概況

中咀坡水電站主要由攔河壩、取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道和廠區(qū)建筑物組成，位于重慶市巫山縣境內(nèi)的后溪河梯級(jí)水電站(廟堂水電站、中咀坡水電站、峽門(mén)口水電站)中的第二級(jí)水電站。電站設(shè)計(jì)引用流量 11.1m3/s，電站裝機(jī)容量 2×12 850 kW。中咀坡水電站為三等中型工程，工程大壩為面板堆石壩，壩高111m，頂部高程為545m，頂寬8m，壩頂全長(zhǎng)219m，溢洪道設(shè)計(jì)方案為正堰開(kāi)敞式溢洪道，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽收縮段、泄洪隧洞段、挑流鼻坎組成。進(jìn)水渠軸線長(zhǎng)29.12m，寬度24.0m，其前部呈喇叭口形狀，進(jìn)口前緣寬58.0m。進(jìn)水渠采用矩形斷面。控制段選用兩孔閘室進(jìn)水，連同中墩共寬24m，中墩寬4m，閘室總長(zhǎng)為34m，每孔設(shè)一扇10m ×10.5m(b×h)的弧形工作閘門(mén)，不設(shè)檢修門(mén)。閘室后緊接著為長(zhǎng)41.0m的收縮段，其寬度由24.0m縮窄為12.0m，邊墻收縮角為7.43°。其后依次接長(zhǎng)度分別為497.33m和17m的泄洪隧洞和挑流坎。

2 溢洪道進(jìn)水段優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

2.1 進(jìn)水渠布置形式及泄洪能力

中咀坡水電站工程設(shè)計(jì)洪水為100年一遇洪水流量，Q=1 070m3/s，校核洪水為1 000年一遇洪水流量，Q=1 590m3/s。設(shè)計(jì)方案中進(jìn)水渠由山體開(kāi)挖而成，軸線長(zhǎng)29.12m，寬度24.0m，其前部呈喇叭口形狀，進(jìn)口前緣寬58.0m。進(jìn)水渠采用矩形斷面。進(jìn)水渠由山體開(kāi)挖形成，渠底高程533.0m，進(jìn)水渠左邊墻采用C20埋石混凝土衡重式擋墻，左側(cè)靠山體前半部分采用圓弧段，圓弧轉(zhuǎn)彎半徑為150.0m，轉(zhuǎn)角76°，圓弧末端通過(guò)長(zhǎng)18.3m的直線導(dǎo)水墻與控制段相接，圓弧段和直線段導(dǎo)墻墻頂高程548.0m，墻頂寬度2m，背坡為1∶0.3。進(jìn)水渠右側(cè)導(dǎo)墻采用重力式混凝土擋墻，墻頂高程 548.0m，墻頂寬度 2.5m，背坡為 1∶0.5。原方案選用兩孔閘室進(jìn)水，連同中墩共寬24m，中墩寬4m，中墩尾部采用半圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，圓弧的半徑為2m，堰型采用WES實(shí)用堰，高為2.5m。進(jìn)水渠平面布置如圖1。

圖1 溢洪道進(jìn)水渠平面布置Fig.1 Engineering layout of the spillway

通過(guò)試驗(yàn)，觀測(cè)到以下現(xiàn)象:圓弧形式的左導(dǎo)墻對(duì)水流的阻礙作用不大，水流較為平順，但進(jìn)口水流在中墩與右導(dǎo)墻頭部形成了繞流，并產(chǎn)生順時(shí)針立軸漩渦，引起導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)形成回流，水流流態(tài)比較紊亂，進(jìn)水渠水流流態(tài)見(jiàn)圖2(a)。受回流區(qū)影響，閘前水面形成一定程度的橫比降，從表1泄流設(shè)計(jì)方案進(jìn)水渠水位分析表中可以看出，閘前水面形成一定程度的橫比降，控制閘門(mén)進(jìn)口處右邊孔水面線明顯低于左孔水面線，使進(jìn)閘水流分布不均，嚴(yán)重降低了溢洪道的過(guò)流能力。同時(shí)從圖2(b)中亦能發(fā)現(xiàn)中墩尾部產(chǎn)生較為嚴(yán)重的空蝕、氣蝕現(xiàn)象。經(jīng)分析得出水流由兩孔閘門(mén)出流有一定的水位差，流量流速不等，受中墩導(dǎo)墻影響，靠近中墩位置的水流流速較小，從而產(chǎn)生空蝕氣蝕現(xiàn)象［4］。

表1 泄流設(shè)計(jì)方案閘口處水位分析Table 1 Water level at the water-gate of original design

圖2 原設(shè)計(jì)方案Fig.2 Original design spillway

2.2 進(jìn)口方案優(yōu)化

為了改善進(jìn)口水流流態(tài)提高溢洪道的泄流能力，使進(jìn)水渠處水流平順、均勻減少水頭損失，需要對(duì)溢洪道進(jìn)口的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［5］。對(duì)原方案進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，重點(diǎn)考慮進(jìn)水渠處，引導(dǎo)水流均勻流入兩孔，盡量使兩孔流量均分，減少下游下泄水流折沖現(xiàn)象的發(fā)生［6］。優(yōu)化的總體思路是兩側(cè)導(dǎo)墻不變，對(duì)中墩尾部加以調(diào)整，尋找合適的尾墩形式，使得進(jìn)閘水流分布均勻，提高溢洪道的過(guò)流能力，同時(shí)減少空蝕和氣蝕對(duì)尾墩的破壞，試驗(yàn)共做了兩種修改方案的對(duì)比分析試驗(yàn)。

2.2.1 橢圓形尾墩

橢圓圓形尾墩是一種常見(jiàn)的尾墩形態(tài)，它的外形輪廓可以使得兩側(cè)水流側(cè)向收縮小，過(guò)水能力大，使得水流流態(tài)平順［7］。尖圓形尾墩的高度與中墩同高，俯視圖中橢圓長(zhǎng)軸為1.71倍的中軸寬度，即6.84m，短軸為1.21 倍中軸寬度，即為4.84m。方案的平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 橢圓形方案下溢洪道進(jìn)水渠水流形態(tài)Fig.3 Water patterns of the diversion canal of oval design

試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，閘門(mén)進(jìn)口處水流流態(tài)較為平順。右導(dǎo)墻與中墩之間水面橫比降有所降低，并且在尾墩的底部仍然存在溢洪道彎道段由于水流在此發(fā)生偏轉(zhuǎn)，受到向外擴(kuò)散的離心力作用，水流紊亂，折沖現(xiàn)象明顯，此處水流流態(tài)需要著重予以考慮。在原設(shè)計(jì)方案下彎道起訖點(diǎn)位置，彎道轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)角、寬度不變，對(duì)彎道底板考慮予以變化，保持軸線高程不變，調(diào)整兩側(cè)高程且彎道內(nèi)橫斷面過(guò)水面積不變。

2.2.2 變寬度淹沒(méi)式斜尾墩

變寬度淹沒(méi)式斜尾墩在原修改方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，重點(diǎn)考慮進(jìn)水渠處，引導(dǎo)水流均勻流入兩孔，盡量使兩孔流量均分，減少下游下泄水流折沖現(xiàn)象的發(fā)生［8］。左側(cè)導(dǎo)墻不變，中墩尾部加以調(diào)整，將先前的兩段1/4橢圓弧改成兩段。第1段為長(zhǎng)3.4m的變高度變寬度斜尾墩，第2段為長(zhǎng)12.35m，寬0.6m的變高度斜尾墩。尾墩與中墩連接處高6.33m，沿程坡比為 1∶0.5，變寬度淹沒(méi)式斜尾墩的平面布置和縱剖面見(jiàn)圖4。

圖4 變寬度淹沒(méi)式斜尾墩平面布置及剖面(1∶200)Fig.4 Layout＆ profile of the changed width oblique tail submerged pier

觀測(cè)發(fā)現(xiàn)收縮段進(jìn)口處水流折沖現(xiàn)象明顯減小，洞口和邊墻所受的沖擊也減小，從圖5中可以看出水冠高度明顯降低，水流流態(tài)有很好的改善，于是將此方案定為推薦方案。

圖5 推薦方案溢洪道進(jìn)水渠水流形態(tài)Fig.5 Water patterns of the diversion canal of recommended design spillway

3 推薦方案效果分析

由于原方案水流入閘后在中墩尾部形成較大的水冠，致使流態(tài)不穩(wěn)定，影響溢洪道的泄洪能力［9］，并隨著溢洪道泄流量的增大，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的空蝕和氣蝕現(xiàn)象，而推薦方案在消除水冠以及提高溢洪道泄洪能力方面都有較好的效果。為此，試驗(yàn)分析了在設(shè)計(jì)和校核流量工況下該中墩體型對(duì)泄洪能力的影響，見(jiàn)表2。

表2 推薦方案閘口水位分析Table 2 Water level at the water-gate of recommended design

從表2中可以看出，閘前水面橫比降明顯有所降低，受離心力的影響，控制閘門(mén)進(jìn)口處右邊孔水面線略低于左孔水面線，但是較原方案有明顯的改善。并且，庫(kù)水位有了一定的降低，且基本與計(jì)算庫(kù)水位接近，所以在此方案下的尾墩形式，不僅能夠改善流態(tài)，降低進(jìn)口水位橫比降，而且能夠提高溢洪道的泄洪能力。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)的溢洪道作為水庫(kù)安全運(yùn)行的保障其進(jìn)口形式的優(yōu)劣直接影響到進(jìn)水渠的水流流態(tài)，安全泄洪能力，其合理的形式是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。筆者通過(guò)對(duì)中咀坡水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?，探討出寬度淹沒(méi)式斜尾墩的布置優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，不僅能夠改善進(jìn)口水流的流態(tài)，均分進(jìn)閘水流，從而減小空蝕和氣蝕的危害，而且由于此方案下尾墩后的水冠高度明顯降低，從而提高了溢洪道的泄洪能力。

［1］劉建，錢(qián)世波，張洋榮，等.重慶巫溪縣劉家溝水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.重慶:重慶三峽水電建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，2008.

［2］胡鵬飛，楊勝發(fā).重慶市巫山縣劉家溝水工模型研究報(bào)告［R］.重慶:重慶交通大學(xué)，2010.

［3］王玄，王均星，崔金秀.龍背灣溢洪道進(jìn)水渠導(dǎo)水墻體型優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2009(7):100-102.Wang Xuan，Wang Junxing，Cui Jinxiu.Experimental research on form optimization for guide wall near the spillway inlet of Longbeiwan Hydropower Project［J］.China Rural Water and Hydropower，2009(7):100-102.

［4］胡鵬飛，袁觀棟.劉家溝水電站溢洪道進(jìn)口導(dǎo)墻體型優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.吉林水利，2011(1):25-27.Hu Pengfei，Yuan Guandong.Experimental research on form optimization for guide wall near the spillway entrance channel of Liujiagou Hydropower Project［J］.Jilin Water Resources，2011(1):25-27.

［5］宋永嘉，田林鋼，李河.溢洪道進(jìn)水渠進(jìn)口形式試驗(yàn)研究［J］.人民黃河，2005，27(9):56-57.Song Yongjia，Tian Lingang，Li He.Experimental research on entrance channel form of spillway［J］.Yellow River，2005，27(9):56-57.

［6］DL/T 5166—2002溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

［7］鄭阿漫，張志昌，楊永全，等.摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)和流速特性［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，18(1):7l-75.Zheng Aman，Zhang Zhichang，Yang Yongquan，et a1.Flow pattern and flow velocity characteristics in stepped spillways with aerated piers［J］.Journal of Xi＇an University of Technology，2002，18(1):71-75.

［8］付旭輝，楊勝發(fā)，劉良軍，等.羊頭鋪水電站水工模型試驗(yàn)研究［J］.小水電，2008，139(1):11-14.Fu Xuhui，Yang Shengfa，Liu Liangjun，et al.Experimental research on Sheepheadshop hydropower hydraulic model［J］.Small Hydropower，2008，139(1):11-14.

［9］胡鵬，胡江.中咀坡水電工程溢洪道水工模型試驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(5):813-815.Hu Peng，Hu Jiang.Experimental Study on the hydraulic model of Spillway in Zhongzuipo hydroelectric power projects［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(5):813-815.