梁 堅

(云南省昆明市水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650231)

擬建幫東河水庫位于云南省臨滄市鎮(zhèn)康縣忙丙鄉(xiāng)麥地河上，水庫總庫容1396×104m3，為3等中型水庫。樞紐建筑物由大壩、溢洪道和導(dǎo)流泄洪輸水隧洞組成。大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1631.60m，壩頂寬10m，壩頂長279m，最大壩高87.2m。溢洪道位于大壩左岸，為無閘控制開敞式駝峰堰，堰頂高程與正常蓄水位相同，為1628.05m，堰高0.9m，控制段凈寬6m，軸線與壩軸線直交，溢洪道由進水渠段、控制段、泄槽上段、拋物線連接段、陡槽下段、消力池段、出水渠段組成，全長536.46m。采用底流式消能，消力池長21m，寬6m。導(dǎo)流泄洪輸水隧洞布置于右岸，采用臨時導(dǎo)流與永久泄洪輸水相結(jié)合的布置方式，進水豎井前分開布置，豎井后兩洞結(jié)合，導(dǎo)流進口高程為1563.00m，泄洪輸水進口高程為1590.00m，采用進水豎井取水。泄洪輸水隧洞全長556.7m，其中有壓洞段長358m，出口閘室及明渠段長198.7m，與導(dǎo)流共用段長529.7m。導(dǎo)流泄洪輸水隧洞斷面尺寸為直徑2.0m圓形，出口弧形工作閘門尺寸為1.6m×1.6m。采用底流式消能。

1 基本資料

(1)水庫特征水位、下泄流量及泄水建筑物水工模型試驗工況見表1。

(2)溢洪道設(shè)計流量系數(shù)0.42，泄洪洞設(shè)計流量系數(shù)0.52。

(3)混凝土襯砌表明糙率n=0.015。

(4)調(diào)洪方式：5年一遇以下洪水由溢洪道單獨下泄，超過5年一遇洪水時開啟泄洪洞閘門參與泄洪。

表1 泄水建筑物水工模型試驗工況表

2 原設(shè)計方案試驗

2.1 泄流能力復(fù)核

溢洪道和泄洪隧洞設(shè)計特征水位實測的流量和綜合流量系數(shù)值分別見表2。

表2 原設(shè)計方案泄水建筑物實測特征流量值及綜合流量系數(shù)

結(jié)果表明，30年、50年和1000年一遇洪水實測流量均大于對應(yīng)頻率洪水流量的設(shè)計值，溢洪道實測流量值比設(shè)計流量值分別大了6.08%、6.43%和1.61%，泄洪洞實測流量值比設(shè)計流量值分別大了1.84%、2.11%和3.35%，表明原設(shè)計方案溢洪道和泄洪隧洞的過流能力滿足設(shè)計要求，并有一定富余。

2.2 原設(shè)計方案復(fù)核結(jié)論和存在的問題

通過試驗復(fù)核，原設(shè)計方案的結(jié)論和存在問題如下。

2.2.1 溢洪道

(1)溢洪道泄洪能力有一定富余；

(2)溢洪道設(shè)計基本合理；

(3)溢洪道消力池和出水渠邊墻高度不足。

2.2.2 泄洪隧洞

(1)泄洪隧洞工作閘門后水流在泄槽豎直圓弧段嚴重脫離底板，拋射水流直接沖擊消力池底板；

(2)在下泄30年一遇及以上洪水時泄洪隧洞消力池內(nèi)均為遠驅(qū)式水躍，消能水體嚴重不足，消能工失效。

3 試驗優(yōu)化

針對原設(shè)計方案存在的主要問題采取如下優(yōu)化方案：

(1)泄洪隧洞采用由上游到下游的試驗優(yōu)化次序，首先解決消力池上游的閘后水流脫底且直接沖擊消力池底板的問題。

(2)對消力池出現(xiàn)“遠驅(qū)式”水躍的問題，采用跌坎型底流消能工，由試驗確定跌坎深度，以流態(tài)、臨底流速和消能效果為目標開展體型試驗優(yōu)化。

泄洪隧洞閘后泄槽段：經(jīng)試驗優(yōu)化，在泄洪隧洞閘后樁號輸0+337.3處設(shè)置垂直突跌0.5m，斷面寬由1.6m突擴至2m，后接長5.112m的平段，之后接半徑為45m、圓心角為22°34′22″的圓弧段，在樁號輸0+358.79再接原方案的陡槽段(坡比為0.646)。

泄洪隧洞跌坎型底流消能工：經(jīng)試驗優(yōu)化，泄洪隧洞消力池采用跌坎型底流消能工。在泄槽擴散段輸0+383.093處布置坎深為2m的底流消能工，消力池寬同原方案，長31.5m，其中：前23m，池寬由2m漸變?yōu)?m，擴散角5°，后8.5m池寬6m。池末尾坎高度增加1.8m，坎高4.8m，尾坎平臺長1.5m，之后接1∶1.5斜坡至原尾水渠。

經(jīng)試驗優(yōu)化及修改，較好地解決了原設(shè)計方案存在的主要問題。將修改、優(yōu)化后的建筑物布置及體型方案，確定為推薦方案。

4 推薦方案試驗

推薦方案試驗?zāi)Ｐ?，從溢洪道堰頂開始至消力池末端，在中軸線底板上布置23個測壓孔，在泄洪隧洞及出口泄槽和消力池沿軸線共布置13個測壓孔。

4.1 流態(tài)、流速及水面線

4.1.1 溢洪道

各工況下，進水渠、駝峰堰段及堰后泄槽段內(nèi)水流平順，流態(tài)較好；泄槽平面轉(zhuǎn)彎段(右轉(zhuǎn))內(nèi)水面呈左高右低的彎道水流形態(tài)，有較弱程度的沖擊波，但水流經(jīng)拋物線段后流速陡增，水流很快調(diào)整平順，之后陡槽段內(nèi)水深均勻，水流平順，流態(tài)較好；消力池內(nèi)均能呈現(xiàn)強迫水躍，池內(nèi)水流剪切明顯，摻混充分，消力池消能效果較好，消力池體型和尺寸滿足設(shè)計要求，出池水流較為平穩(wěn)。

工況1，在溢0+114.78～0+126.33平面轉(zhuǎn)彎段內(nèi)，為水面呈左高右低的彎道水流，溢0+114.78處左邊墻水深為1.05m，右邊墻水深為0.51m，溢0+126.33處左邊墻水深為1.2m，右邊墻水深為0.36m，水面差0.5～0.8m，橫向比降不大。

工況2，溢洪道進水渠內(nèi)水深2.5～2.8m，流速為0.99～2.03m/s。堰頂水深1.35m，堰頂流速為5.04m/s。堰后泄槽段內(nèi)流速6.9～9.63m/s，最小水深0.66m。平面轉(zhuǎn)彎段內(nèi)，溢0+114.78處左邊墻水深為1.17m，右邊墻水深為0.45m，溢0+126.33處左邊墻水深為1.08m，右邊墻水深為0.33m，水面差約為0.7m，橫向比降小，其后陡槽段流速為8.71～25.52m/s，最小水深0.18m。

工況3，溢洪道進水渠內(nèi)水深3.7～3.9m，流速為1.1～2.19m/s。堰頂水深2.28m，堰頂流速為3.89m/s。堰后泄槽段內(nèi)流速為7.12～10.35m/s，最小水深1.05m。平面轉(zhuǎn)彎段內(nèi)，溢0+114.78處左邊墻水深為1.86m，右邊墻水深為0.77m，溢0+126.33處左邊墻水深為1.98m，右邊墻水深為0.85m，水面差近1m，橫向比降不大。其后陡槽段流速為10.2～26.55m/s，最小水深0.33m。

4.1.2 泄洪隧洞

對泄洪隧洞閘后泄槽段、消能工進行修改和優(yōu)化后，各工況下，閘后水流形成底部和側(cè)面完全貫通的摻氣空腔，水流與泄槽底部和邊墻相接后貼壁良好，斷面水深均勻，槽內(nèi)水流摻氣相當(dāng)充分，跌坎型底流消能工內(nèi)水流剪切明顯、摻混充分，消力池前段臨底流速降低，池內(nèi)形成了較好的淹沒水躍流態(tài)，出池流態(tài)得到大幅度改善，尾水渠內(nèi)流態(tài)較好。

工況1時，泄洪隧洞出水閘后在樁號輸0+337.300處流速為22.89m/s，其后泄槽段水深1.2～2.16m，流速19.53～21.52m/s。池內(nèi)最大水深7.56m(輸0+404.686處)，最大臨底流速20.87m/s，消力池尾坎坎頂處水深2.34m、底流速6.30m/s，消力池后出水渠中軸線水深1.59～0.69m，流速3.94～10.90m/s。

工況2時，泄洪隧洞出水閘后在樁號輸0+337.300處流速為22.93m/s，其后泄槽段水深1.26～2.19m，流速19.68～21.78m/s。池內(nèi)最大水深7.59m(輸0+404.686處)，最大臨底流速18.62m/s，消力池尾坎坎頂處水深2.4m、底流速6.08m/s，消力池后出水渠中軸線水深0.81～1.81m，流速4.12～11.45m/s。

工況3時，泄洪隧洞出水閘后在樁號輸0+337.300處流速約22.82m/s，其后泄槽段水深1.71～2.52m，流速19.88～21.62m/s。池內(nèi)最大水深7.8m(泄0+457.979處)，最大臨底流速19.77m/s，消力池尾坎坎頂處水深2.55m、底流速6.24m/s，消力池后出水渠中軸線水深0.81～4.05m，流速6.00～7.50m/s。

4.2 時均動水壓強

4.2.1 溢洪道

實測結(jié)果表明，各工況下推薦方案溢洪道底板各部位均未出現(xiàn)負壓，時均動水壓強值正常，分布合理。

工況1時，壓力最小值0.3m水柱發(fā)生于Y1(堰頂)處，最大值4.68m水柱發(fā)生于消力池內(nèi)Y23處；工況2時，壓力最小值0.33m水柱發(fā)生于Y15(泄槽下段)處，最大值4.56m水柱發(fā)生于消力池內(nèi)Y23處；工況3時，壓力最小值0.66m水柱發(fā)生于Y17(泄槽下段)處，最大值5.22m水柱發(fā)生于消力池內(nèi)Y23處。

4.2.2 泄洪隧洞

泄洪隧洞底板各部位均未出現(xiàn)負壓，壓力分布正常。

4.3 水流空化數(shù)

溢洪道最可能出現(xiàn)空化水流的位置在緊接消力池的上游泄槽陡坡段，泄洪隧洞最可能出現(xiàn)空化水流的位置在閘后泄槽段。

溢洪道泄槽段水流空化數(shù)工況1時，最小值為0.33，工況2時，最小值為0.32，工況3時，最小值為0.31，均出現(xiàn)在Y19處。各工況下空化數(shù)均大于0.3，可以判斷試驗各工況下溢洪道水流發(fā)生空化的可能性較小。

泄洪隧洞閘后泄槽段水流空化數(shù)，工況1時最小值為0.50，工況2時最小值為0.53，工況3時最小值為0.49，均出現(xiàn)在D11處。各工況下空化數(shù)均遠大于0.3，不會發(fā)生空化。

4.4 消能工流態(tài)

溢洪道消能防沖標準時(工況1)，水流進入消力池后產(chǎn)生典型的強迫水躍，消能效果好。消力池后部及出口水面壅高，出水渠段流態(tài)較平穩(wěn)。消力池水躍躍首斷面大致位于溢0+406.100處，池內(nèi)最大水深均值4.5m(Y23處)，消力池尾坎坎頂水深2.67m，最大臨底流速9.28m/s，水面波動劇烈。

在各試驗工況下，泄洪隧洞跌坎型底流消能工水流紊動強烈、摻混充分、剪切作用明顯，消能效果較好，出池水流平穩(wěn)，與出水渠內(nèi)水流銜接較好。

4.5 出水渠流態(tài)

溢洪道出水渠流態(tài)較好，水面跌落最低處水深為1.98m，流速6.98m/s。泄洪隧洞出水渠水流平順，出水渠內(nèi)流速合理。

5 設(shè)計修改

5.1 溢洪道

根據(jù)水工模型試驗復(fù)核，原設(shè)計方案的溢洪道存在消力池段和出水渠段邊墻高度不夠的問題，因此，做了如下調(diào)整：

溢洪道里程0+406.10～0+475.10，消力池段和出水渠段邊墻加高0.5m。消力池邊墻高由4.8m加高為5.3m；出水渠段邊墻高由3.0m加高為3.5m。

5.2 泄洪隧洞

根據(jù)水工模型試驗復(fù)核，原設(shè)計方案的導(dǎo)流泄洪輸水隧洞存在閘門全開時出口產(chǎn)生射流、泄槽段水流脫壁、消力池深度和長度不夠、出水渠邊墻高度不夠等問題，因此，本階段做了如下調(diào)整：

(1)隧洞出口工作閘室后泄槽前移2.7m，泄槽首端采用突擴、突跌的方式，寬度由1.6m突擴為2.0m，底坎突跌0.5m。

(2)隧洞出口泄槽豎向曲線段由半徑27.076m、轉(zhuǎn)角33°，調(diào)整為半徑45m，轉(zhuǎn)角22°34′22″；邊墻高度由3～7.83m調(diào)整為高3.5～5m。

(3)消力池改為跌坎型消力池，跌坎高2.0m，消力池尾坎加高1.8m，為4.8m。

(4)消力池邊墻高度由7.0m調(diào)整為8.5m；出水渠邊墻高度由2.0m調(diào)整為2.3m。

6 結(jié)語

通過水工模型試驗復(fù)核，原設(shè)計存在溢洪道消力池和出水渠邊墻高度不夠，泄洪隧洞出口水流嚴重脫離底板，發(fā)生遠驅(qū)式水躍，消能工失效等問題。經(jīng)試驗對體型進行優(yōu)化后，流態(tài)得到大幅度改善，滿足所有工況泄洪要求。