許 暉，肖鑫明

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

魚(yú)枧水庫(kù)工程為Ⅲ等中型工程，水庫(kù)是一座滿(mǎn)足水江工業(yè)園區(qū)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及農(nóng)村人畜飲水等綜合利用的中型水利工程。壩址控制集雨面積為34.3 km2，水庫(kù)正常蓄水位為711.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為711.00 m，校核洪水位為711.62 m，水庫(kù)總庫(kù)容1 295 萬(wàn)m3，壩頂高程712.20 m，防浪墻頂高程713.40 m，最大壩高為62.7 m。

1.2 工程水文

魚(yú)枧水庫(kù)壩址不同頻率的洪水洪峰流量見(jiàn)表1。

表1 各級(jí)洪水洪峰流量

設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 年一遇。水庫(kù)特征水位與流量成果分列于表2。

表2 水庫(kù)特征水位及流量成果表

1.3 工程方案設(shè)計(jì)

工程方案采用梯坎與底流消能組合的消能形式，立面設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、消力池、護(hù)坦組成，進(jìn)水渠軸線長(zhǎng)94 m（其中直段長(zhǎng)16 m，轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)78 m），轉(zhuǎn)彎半徑80 m。渠底高程700.00 m，進(jìn)水渠前沿底寬64 m，堰前進(jìn)水渠底寬15.5 m，邊墻頂高程713.40 m?？刂蒲叨伍L(zhǎng)20 m，堰頂高704.00 m，設(shè)2 孔6.5 m×7.0 m（寬×高）扇弧形工作門(mén)。溢流凈寬13 m，溢流堰采用4 m 高WES 曲線型低實(shí)用堰。交通橋位于閘墩下游，橋面寬7.0 m，橋面高程713.40 m 與防浪墻頂高程相同。泄槽段總長(zhǎng)134.63 m，全段底寬15.5 m。泄槽段縱坡為1∶20、1∶2.2，縱坡變化處直接相連，并從連接處開(kāi)始設(shè)置坡比為1∶2.2 的臺(tái)階。消力池總長(zhǎng)32.5 m，底寬15.5 m，池深2.4 m，池底板高程646.50 m，下游河床高程648.90 m，消力池邊墻頂高程653.80 m，下游河道30 年一遇消能防沖工況下洪水位高程651.00 m。

圖1 溢洪道縱剖面圖

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

①量測(cè)各種頻率洪水下，溢洪道水面線、水流流速及流態(tài)；②量測(cè)各種頻率洪水下，下游河道、岸坡水流流速、流態(tài)、沖刷形態(tài)；③針對(duì)溢洪道不合理部位體型，提出合理化建議，并優(yōu)化模型；④調(diào)節(jié)溢洪道閘門(mén)開(kāi)度及閘門(mén)開(kāi)啟方式，提出溢洪道運(yùn)行調(diào)度過(guò)程。

2.2 模型試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容要求擬定試驗(yàn)工況（表3）。

表3 試驗(yàn)工況表

2.3 模型制作

模型依據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)（引用規(guī)范《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程SL 155-95》），幾何比尺1∶50。地形模擬范圍為壩軸線上游450 m 至壩軸線下游1 000 m，根據(jù)1∶500 地形圖，用斷面板法和等高線法控制，水泥沙漿抹面制成。溢洪道采用有機(jī)玻璃制作。在下游河道溢0+175.000 m～溢0+350.000 m 范圍內(nèi)鋪設(shè)動(dòng)床，動(dòng)床鋪砂高程650.00 m。試驗(yàn)任務(wù)書(shū)中提供的抗沖流速為3～5 m/s，試驗(yàn)選用過(guò)篩平均粒徑為9 mm 的卵石模擬動(dòng)床。模型上游水位測(cè)點(diǎn)布置在壩軸線上游約280 m 的位置，下游河道水位測(cè)點(diǎn)布置在壩下950 m 處，采用固定測(cè)針施測(cè)。溢洪道邊墻水面線用鋼尺測(cè)讀，下游河道水面線及沖坑采用活動(dòng)測(cè)針施測(cè)，流速用旋漿式光纖智能流速儀測(cè)讀。

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

3.1 對(duì)進(jìn)口導(dǎo)墻的優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案進(jìn)口導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)如圖2 所示。觀察試驗(yàn)中原設(shè)計(jì)方案P=3.33%和P=0.1%時(shí)進(jìn)口流態(tài): 溢洪道引水渠內(nèi)水流平順，流態(tài)良好。右導(dǎo)墻首部存在局部繞流，強(qiáng)度較弱，未惡化渠內(nèi)流態(tài)。優(yōu)化方案對(duì)右導(dǎo)墻首部進(jìn)行了流線型處理，且為了節(jié)省工程量對(duì)導(dǎo)墻的尺寸也進(jìn)行了縮減。將右導(dǎo)墻的直線段由原來(lái)的16 m 優(yōu)化為10 m，并與半徑為15 m，圓心角為40°的圓弧段相連接，墩頭采用半徑為0.5 m 的半圓。優(yōu)化方案進(jìn)口右側(cè)導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖3。觀察P=3.33%和P=0.1%時(shí)的進(jìn)口流態(tài):進(jìn)口流態(tài)平穩(wěn)，在右導(dǎo)墻處有輕微的擾流，且擾流未惡化溢洪道流態(tài)。右導(dǎo)墻迎水面和背水面的水面差值最大為P=0.1%的1.0 m。

圖2 原進(jìn)口導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)

圖3 優(yōu)化后進(jìn)口導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)

3.2 對(duì)控制段與泄槽曲線連接段的優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案控制段與泄槽段采用拋物線相銜接，考慮到從控制段下泄時(shí)的水流流速相對(duì)較大，經(jīng)過(guò)曲線連接段時(shí)容易出現(xiàn)水流脫空現(xiàn)象，因此將曲線連接段修改為轉(zhuǎn)彎更為平緩的圓弧段，圓弧的半徑為80 m，轉(zhuǎn)角為25.420°。

3.3 對(duì)消力池的優(yōu)化

原設(shè)計(jì)方案的消力池池長(zhǎng)56.5 m，池深2.5 m。圖4為原設(shè)計(jì)方案P=3.33%時(shí)的消力池流態(tài)圖，可見(jiàn)水流自溢洪道下泄后直接沖擊消力池尾坎。

圖4 消力池流態(tài)圖

通過(guò)采用取消消力池尾坎運(yùn)用邊墻擴(kuò)散將水流挑起等方式后的優(yōu)化方案即采用將樁號(hào)為溢0+158.192 m 處的底板和樁號(hào)為溢0+211.850 m 處的尾坎以斜坡的方式相銜接。P=3.33%時(shí)的消力池流態(tài)見(jiàn)圖5。因此可以將優(yōu)化后的方案作為推薦方案。

圖5 優(yōu)化方案三消力池流態(tài)圖

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 泄流能力

溢洪道全開(kāi)Q=22.168H1.623，γ=0.999

溢洪道局開(kāi)e=1 m（76 m3/s≤Q≤130 m3/s）：

Q=35.595H0.6231，γ=0.999

溢洪道局開(kāi)e=2 m（140 m3/s≤Q≤224 m3/s）：

Q=59.16H0.6484，γ=0.9993

Q=68.509H0.7613，γ=0.9992

溢洪道局開(kāi)e=4 m（336 m3/s≤Q≤399 m3/s）：

Q=99.103H0.6705，γ=0.9991

溢洪道局開(kāi)e=5 m（455 m3/s≤Q≤492 m3/s）：

Q=178.19H0.4678，γ=0.9993

上式中：

Q——溢洪道下泄流量（m3/s）；

材料：桑葉采自甘肅省隴南徽縣泥陽(yáng)，均為5月份的新葉，要求直徑在5cm左右的新鮮嫩葉；杜仲粉及甘草購(gòu)自甘肅成縣旭東大藥房；碳酸氫鈉(食品級(jí))、檸檬酸(食品級(jí))、聚乙二醇(食品級(jí))、木糖醇，濟(jì)南晟旺化工有限公司。

e——弧門(mén)開(kāi)啟高度（弧門(mén)底緣高程-堰頂高程704.00）（m）；

H——堰上水頭，H=Z 上游水位-704.00（m）；

γ——曲線擬合相關(guān)系數(shù)。

上游水位與泄流能力關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。

泄量試驗(yàn)表明：下泄P=0.1%洪水時(shí)，在壩前最高水位711.62 m 條件下，溢洪試驗(yàn)泄流能力為598.60 m3/s，比設(shè)計(jì)值大10.6%，泄流能力有較大的富余。

4.2 溢洪道進(jìn)口的水力學(xué)特性

當(dāng)閘門(mén)局部開(kāi)啟時(shí)，進(jìn)水渠流態(tài)平穩(wěn)。特別是當(dāng)P=10%時(shí)，溢洪道進(jìn)口右側(cè)導(dǎo)墻未見(jiàn)有明顯的擾流，隨著下泄流量的增加右側(cè)導(dǎo)墻開(kāi)始有擾流出現(xiàn)。當(dāng)P=2%時(shí)，右側(cè)溢洪道閘門(mén)上方有游離的間歇性漩渦出現(xiàn)，漩渦直徑1 m 左右。當(dāng)P=0.1%閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，溢洪道右側(cè)有明顯的擾流，但強(qiáng)度相對(duì)較弱且未惡化溢洪道流態(tài)。

4.3 溢洪道泄槽的水力學(xué)特性

4.3.1 流態(tài)和水面線

當(dāng)閘門(mén)局部開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，溢洪道進(jìn)口右側(cè)有較輕微的擾流，水流流經(jīng)中墩墩尾時(shí)，在墩尾形成了明顯的水翅。由于水翅以及擾流的影響，溢洪道泄槽內(nèi)出現(xiàn)了菱形波，使得溢洪道樁號(hào)溢0+064.000 m～溢0+100.000 m范圍內(nèi)的水面有所波動(dòng)。特別是在P=0.1%工況之下，由于右側(cè)導(dǎo)墻的擾流相對(duì)較大，且由于溢洪道反弧段的影響，導(dǎo)致溢洪道樁號(hào)0+064.000 m～溢0+100.000 m范圍內(nèi)水面波動(dòng)較大，在樁號(hào)溢0+064.000 m 處右側(cè)邊墻水面線實(shí)測(cè)值為692.96 m，超過(guò)了設(shè)計(jì)邊墻高度692.77 m，設(shè)計(jì)時(shí)要引起注意。

4.3.2 流 速

溢洪道流速沿程增大，且隨著上游來(lái)水流量的增大而增大。實(shí)測(cè)到的溢洪道最大流速為P=0.1%時(shí)、樁號(hào)溢0+145.000 m 處的30 m/s，在溢洪道出口處實(shí)測(cè)到的最大流速為17.72 m/s。

4.3.3 壓 強(qiáng)

在溢流堰堰面處兩測(cè)點(diǎn)在P=10%、P=3.33%和P=2%工況之下出現(xiàn)了負(fù)壓，最大負(fù)壓值為-6.52 kPa。在溢洪道弧線段即測(cè)點(diǎn)P12～P18，壓強(qiáng)均為正壓，表示水流能夠貼著曲線段下泄，沒(méi)有出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。在泄槽段壓強(qiáng)也均為正壓，在溢洪道底板和尾坎銜接斜坡后測(cè)點(diǎn)，由于向心力的作用壓強(qiáng)升高，最大壓強(qiáng)為P=0.1%時(shí)的55.76 kPa。總體而言，溢洪道壓強(qiáng)分布正常。

4.4 下游河道的水力學(xué)特性

4.4.1 流態(tài)和流速

流經(jīng)溢洪道的水流經(jīng)溢洪道末端的反坡挑入至下游河道，且隨著下泄流量的增大，挑射距離也越大。當(dāng)P=10%時(shí)挑射距離約為28 m；P=3.33%時(shí)挑射距離約為33.5 m；P=0.1%時(shí)挑射距離約為48 m。

由于溢洪道中心線偏向左岸，從溢洪道下泄的水流主流偏向左岸，當(dāng)P=10%和P=3.33%時(shí)，水流未直接沖擊河道左岸岸坡，當(dāng)P=0.1%時(shí)水流沖擊導(dǎo)流洞出口處的岸坡。由于水流偏向左岸，左岸岸坡的流速較右岸岸坡的要大，且在水舌落點(diǎn)處的左右岸均形成了回流區(qū)，右岸的回流區(qū)范圍較左岸大。左岸岸坡樁號(hào)溢0+200.000 m～溢0+450.000 m 范圍內(nèi)水流的流速超過(guò)了岸坡的抗沖流速3～5 m/s，需要對(duì)此段進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

4.4.2 沖 刷

在各個(gè)工況之下，沖坑最深點(diǎn)基本位于河道中心線附近，P=10%時(shí)，沖坑最深為8.18 m，P=3.33%時(shí)沖坑最深為為8.64 m，P=2%時(shí)沖坑最深為9.17 m，P=0.1%時(shí)沖坑最深為12.05 m。沖坑最深點(diǎn)離消力池尾部基礎(chǔ)最小的距離為P=2%時(shí)的26.48 m，沖坑的后坡比均小于1∶3.0，因此可以保持穩(wěn)定。沖坑的位置位于河道中心線上，由于水舌落點(diǎn)處的左右岸兩側(cè)較為開(kāi)闊，河道的兩側(cè)均形成了大的回流區(qū)，回流區(qū)的流速較小，未對(duì)河道岸坡產(chǎn)生較大的沖刷。當(dāng)P=3.33%時(shí)左岸岸坡的最大下切深度為1.76 m，右岸為1.13 m；當(dāng)P=0.1%時(shí)左岸岸坡的最大下切深度為4.37 m，右岸為3.53 m。見(jiàn)表4。

表4 下游河道沖坑深點(diǎn)位置

綜合下游河道流態(tài)以及沖刷情況看，為了確保兩岸邊坡的穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)左岸岸坡樁號(hào)溢0+200.000 m～溢0+450.000m 范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。值得注意的是由于模型試驗(yàn)的邊界條件與實(shí)際情況有出入，該指標(biāo)僅供參考。

綜合分析，泄量試驗(yàn)表明：

1）下泄P=0.1%洪水時(shí)，在壩前最高水位711.62 m 條件下，溢洪試驗(yàn)泄流能力為598.60 m3/s，比設(shè)計(jì)值大10.6%。泄流能力有較大富余。

2）當(dāng)P=0.1%閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，溢洪道右側(cè)有明顯的擾流但強(qiáng)度相對(duì)較弱且未惡化溢洪道流態(tài)。在樁號(hào)溢0+064.000 m 處右側(cè)邊墻水面線實(shí)測(cè)值為692.96 m，超過(guò)了設(shè)計(jì)邊墻高度692.77 m，設(shè)計(jì)時(shí)要引起注意。

3）從溢洪道下泄的水流主流偏向左岸，當(dāng)P=10%和P=3.33%時(shí)，水流未直接沖擊河道左岸岸坡，當(dāng)P=0.1%時(shí)水流沖擊導(dǎo)流洞出口處的岸坡。左岸岸坡的流速較右岸岸坡的要大，P=3.33%時(shí)實(shí)測(cè)到左岸的最大流速為5.12 m/s，右岸的最大流速為0.61 m/s。左岸坡樁號(hào)溢0+200.000 m～溢0+450.000 m 范圍內(nèi)水流的流速超過(guò)了岸坡的抗沖流速3～5 m/s，需要對(duì)此段進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

4）各個(gè)工況之下，沖坑最深點(diǎn)基本位于河道中心線附近，P=3.33%時(shí)沖坑最深為8.64 m，P=0.1%時(shí)沖坑最深為12.05 m。各個(gè)工況沖坑的后坡比均小于1∶3.0，因此可以保持穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行方案優(yōu)化及試驗(yàn)成果分析，認(rèn)為該溢洪道泄洪能力、抗水流沖刷能力及變形穩(wěn)定性都能夠滿(mǎn)足工程要求，依據(jù)試驗(yàn)成果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮了限額設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，為類(lèi)似工程的溢洪道設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。