鐘勇明，朱紅華，黃智敏

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635)

溢洪道是水庫樞紐建筑物中的重要組成部分，在工程運行中，溢洪道進水渠布置形式通常會受到地形地質(zhì)條件、相鄰建筑物結(jié)構(gòu)形式以及工程占地條件等限制，從而影響著上游進水流態(tài)、泄流能力及下游消能防沖效果[1-3]。本文主要介紹通過溢洪道水工模型試驗，研究溢洪道泄流能力，消能工運行水力特性，優(yōu)化溢洪道設(shè)計方案，分析下游排洪渠的抗沖刷能力及水流形態(tài)，為工程設(shè)計和運行提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

湯溪水庫位于廣東省饒平縣黃岡河中游湯溪鎮(zhèn)花橋村，距縣城黃岡鎮(zhèn)38 km，始建于1958年，水庫控制流域面積為667 km2，總庫容為3.8億m3，正常蓄水位為56.0 m，相應(yīng)庫容為2.864億m3，興利庫容為2.75億m3，是一項具有灌溉、防洪、發(fā)電、供水等綜合利用效益的大(2)型水庫工程。水庫設(shè)計灌溉農(nóng)田為0.95 hm2，目前實際灌溉為0.79 hm2，電站裝機2臺共8 000 kW，年發(fā)電量約2 500萬kWh。

湯溪水庫溢洪道為工程的主要建筑物，洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇(P=1%)，相應(yīng)下泄流量Q=3 152 m3/s；校核洪水頻率為2000年一遇(P=0.05%)，相應(yīng)下泄流量Q=3 695 m3/s；下游消能設(shè)計洪水頻率為50年一遇(P=2%)，相應(yīng)下泄流量Q=1 500 m3/s[4]。模型試驗采用佛勞德重力相似律設(shè)計的1∶55正態(tài)整體水工模型進行[5]，通過試驗對溢洪道的消能形式進行研究和優(yōu)化。

2 設(shè)計方案試驗成果

2.1 方案布置

新建溢洪道全長為416.68 m，分別由進水渠、控制段、泄槽段、消力池及漿砌石護底段組成。進水渠段為轉(zhuǎn)彎段，中心線長為61.80 m；控制段到消力池段為直段，長為261 m；下游漿砌石護底段為轉(zhuǎn)彎段，中心線長為93.88 m。溢洪道由五孔弧形鋼閘門控制泄流，每孔凈寬為10 m?？刂贫我缌餮卟捎民劮逖?，控制段長為25 m，堰頂高程為49.00 m，溢洪道設(shè)計方案體型布置見圖1。

圖1 湯溪水庫溢洪道設(shè)計方案體型布置示意(單位：m)

1) 進水渠段

進水渠上游側(cè)對原地形進行土地平整，平整后渠底板高程為46.84 m，進水渠中心線長為61.8 m。進水渠兩側(cè)采用扶壁式擋墻，擋墻頂與壩頂高程齊平，高程為62.00 m。進水渠采用喇叭口形式，左岸邊墻轉(zhuǎn)彎半徑為23.5 m，轉(zhuǎn)角為86.45°，弧長為32.8 m；右岸邊墻上游側(cè)長為32.9 m，接轉(zhuǎn)彎半徑為98.5 m圓弧，轉(zhuǎn)角為31.69°，弧段長為55.3 m。進口段過水?dāng)嗝鎻膶?7.9 m漸變到60 m(見圖2)。

圖2 湯溪水庫溢洪道設(shè)計方案上游進口左、右岸擋墻平面布置示意(單位：m)

2) 控制段

控制段樁號0+000～0+025，長為25 m，由5孔10 m寬弧形鋼閘門控制，過水?dāng)嗝鎯魧挒?0 m，中墩厚為2.5 m，邊墩頂厚為2 m。堰面采用駝峰堰，堰頂高程為49.00 m，堰高為2.16 m，堰長為17.28 m，堰中心樁號為0+012.98 m(見圖1)。

3) 泄槽段

泄槽段樁號0+025～0+203，過水?dāng)嗝鎸挒?60 m，縱坡為1∶5.6，泄槽段水平投影長為178 m，泄槽末端連接消力池。

4) 消力池段

消力池段樁號0+203～0+259，長為56 m，池底高程為15.30 m，為下挖式消力池，池深為6 m。消力池兩側(cè)邊墻采用扶壁式擋墻，墻頂高程為30.20 m。消力池末端尾坎頂寬為2 m、坡度為1∶0.5。

5) 漿砌石護底段

漿砌石護底段中心線長為93.88 m，護底段面高程為21.30 m，兩側(cè)有21 m長斜坡段擋墻，擋墻頂高程從30.20 m漸變到23.00 m，漸變段擋墻后為轉(zhuǎn)彎段，左岸擋墻接圓弧段(R=10 m、角度θ=24.87°)后，再接54.6 m直段；右岸擋墻接10.2 m直段，后接圓弧段(R=100 m、角度θ=24.87°)，出口接32.9 m直段。過水?dāng)嗝鎻膶?0 m漸變到67 m。

2.2 溢洪道泄流能力

在設(shè)計洪水和校核洪水流量泄流運行時，測試的庫水位分別為 59.80 m和61.14 m，分別比設(shè)計值壅高0.32 m和0.34 m，溢洪道的泄流能力不足(見表1)。對此問題，設(shè)計單位對模型試驗得出的溢洪道泄流量與上游水位關(guān)系曲線重新進行復(fù)核與調(diào)洪演算，作為下一步水工模型試驗的依據(jù)。

表1 設(shè)計方案溢洪道泄流能力

2.3 溢洪道流態(tài)和流速分布

1) 按表1的泄流條件進行試驗，試驗表明，在各級洪水頻率流量泄流時，受上游進口地形的影響，主流偏向左側(cè)，進口段左側(cè)流速比右側(cè)流速大，但閘室水流仍較平順，流速分布較均勻(見圖3)。上游進口擋墻受側(cè)收縮的影響，導(dǎo)致左、右岸擋墻進水頭部內(nèi)、外側(cè)水位差較大，左、右岸擋墻進水頭部內(nèi)、外側(cè)水位差見表2。

圖3 設(shè)計方案——溢洪道上游進口流態(tài)和流速分布示意(單位：m)

表2 進水渠左、右岸擋墻進水頭部內(nèi)、外側(cè)水位

2) 當(dāng)試驗流量為Q=780 m3/s(P=5%)和Q=1 500 m3/s(P=2%、消能工況)時，池內(nèi)水躍較完整，消力池內(nèi)水流消能較充分，但水流經(jīng)消力池尾坎后仍產(chǎn)生跌流，其原因為消力池的尾坎頂高程較高，使得出池水流與下游河道水流銜接不夠平順。

3) 由于溢洪道堰頂(高程為49.00 m)至消力池底板(高程為15.30 m)的高差達33.7 m，當(dāng)試驗流量為Q=3 152 m3/s(P=1%)和Q=3 695 m3/s(P=0.05%)時，陡槽段單寬流量分別為52.53 m2/s和61.58 m2/s，水流過堰后急流直下，陡槽段流速較大，樁號0+165斷面底流速達約21～22 m/s，水流呈急流狀撞擊消力池末端尾坎后，形成強迫水躍，躍起再跌向消力池的下游，水流在尾坎頂上形成較明顯的跌流。在校核洪水頻率流量泄流時，消力池末端水流涌高達約33.70 m高程，比尾坎頂(高程為21.30 m)高出約12.4 m。下游河道水流波動較大，加劇了對下游河床的沖刷。

4) 在各級洪水頻率(P=5%～0.05%)流量泄流時，各測流斷面水面線分布較均勻，水流進入陡槽段后，水深沿程減小，流速沿程增大。陡槽段末端入池底流速達10.7～19.9 m/s，消力池尾坎底流速達3.8～7.5 m/s。

2.4 下游河床流態(tài)和流速分布

1) 在設(shè)計洪水(Q=3 152 m3/s)和校核洪水(Q=3 695 m3/s)泄流運行時，消力池下游水面波動較大，池后下游河床底流速較大值約為6～7 m/s。

2) 其他洪水頻率(P=5%和P=2%)泄流運行時，池后水流銜接過渡較為平順，河床面底流速約為3～4 m/s。

3) 在各級洪水頻率(P=5%～0.05%)流量泄流時，消力池出口水流經(jīng)漿砌石護底段匯入下游河道，由于消力池出口下游為彎道河道，出池水流受彎道的影響，在下游樁號約0+330左岸坡處形成局部回流區(qū)，回流流速值約達0.7～1.4 m/s(見圖4)。

圖4 設(shè)計方案——溢洪道下游河床流態(tài)和流速分布示意(單位：m)

2.5 小結(jié)

1) 測試的溢洪道庫水位比設(shè)計值偏高，設(shè)計單位根據(jù)設(shè)計方案泄流能力試驗成果，重新復(fù)核與調(diào)洪演算后，作為下一步水工模型試驗的依據(jù)。

2) 在各級洪水頻率泄流運行時，溢洪道閘室上游進水渠左、右岸擋墻內(nèi)側(cè)水面均有側(cè)收縮的影響，導(dǎo)致左、右岸擋墻進水頭部產(chǎn)生不同程度的內(nèi)、外側(cè)水位差，流態(tài)較差，需對左、右岸擋墻進行修改。

3) 在設(shè)計洪水頻率和校核洪水頻率流量泄流時，陡槽段流速值達約24～26 m/s，溢洪道泄流落差較大，下泄水流進入消力池后，直接撞擊消力池尾坎，迫使水流涌高和翻滾，形成強迫水躍，躍起再跌向消力池的下游，水流在尾坎頂上形成較明顯的跌流。為了降低陡槽段流速值，增加陡槽段水流的消能率，減輕消力池的消能壓力，擬在溢洪道陡槽段設(shè)置外凸型階梯消能工。

4) 由于消力池尾坎頂高程較高，消力池末端尾坎出流形成明顯跌流，出池水流與下游河道水流銜接不夠平順，需要降低消力池末端的尾坎高程，使消力池出池水流與下游河道水流較平順銜接。

5) 消力池出口下游為彎曲河段，水流在左岸坡(樁號約0+330)處形成局部較強回流區(qū)，回流流速較大值約1.4 m/s，需對消力池出口下游左、右岸擋墻進行修改，改善彎段流態(tài)。

3 工程推薦方案試驗成果

3.1 方案布置

1) 進水渠左岸擋墻轉(zhuǎn)彎段不變(R=23.5 m、角度θ=86.45°、弧長32.8 m)，上游側(cè)增加長為16.5 m的直段，擋墻頂高程為62.00 m，在擋墻高程為54.35 m和53.80 m處設(shè)置兩排導(dǎo)流孔，補充側(cè)向進水[6]，孔徑Φ=1.1 m；右岸擋墻以A為起點,AC(R=50 m、角度θ=27.13°、弧長為23.7 m)與CD(R=110 m、角度θ=21.55°、弧長為41.4 m)兩段圓弧相接，后與右岸地形連接，擋墻頂高程為62.00 m；另從B點起設(shè)置另一道擋墻BE(R=70 m、角度θ=66.98°、弧長為81.8 m)，擋墻頂高程為51.00 m，后接EF段圓弧(R=65 m、角度θ=39.24°、弧長為44.5 m)，再接上游側(cè)長為87.9 m直段，擋墻頂高程均為50.00 m(如圖5所示)。

2) 為了降低陡槽段的流速值，增加陡槽段水流的消能率，從陡槽段首端(樁號0+026.436)開始設(shè)置27級階梯跌坎，階梯高度為0.38 m，階梯間距均為5 m；各階梯面下游端角兩邊各削掉邊長為0.05 m的尖角體(見圖6)。

3) 為了減小池末尾坎的跌流落差，將消力池尾坎頂高程由21.30 m降低至20.30 m(降低1m)，并以1∶30反坡與樁號0+291斷面(高程為21.30 m)連接 (見圖6)。

圖6 溢洪道陡槽段階梯及消力池推薦方案布置示意(單位：m)

4) 為了改善溢洪道消力池出口下游彎段流態(tài)，降低回流流速，減輕對左岸坡的淘刷，溢洪道消力池出口斷面下游左、右兩岸擋墻作以下修改(見圖7): 消力池出口左岸擋墻長度為78.7 m，與消力池段左邊墻呈17.68°角往左側(cè)擴寬，其中長為21 m斜坡段擋墻，擋墻頂高程從30.20 m降低為23.00 m；右岸擋墻接31.2 m直墻段(高程為30.20 m)，后接R=100 m、θ=24.87°圓弧段(其中θ=12.84°、擋墻頂高程為30.20 m，θ=12.03°為斜坡段擋墻，擋墻頂高程從30.20 m降低為23.00 m)，下游接32.9 m直墻段。消力池出口斷面寬為60 m漸變到67 m。

圖7 溢洪道消力池出口下游左、右岸擋墻推薦方案平面布置示意(單位：m)

3.2 溢洪道泄流能力

在設(shè)計工況和校核工況泄流時，溢洪道上游設(shè)計洪水位和校核洪水位分別為59.38 m和60.98 m，分別比設(shè)計值低0.1 m和0.02 m，溢洪道泄流能力滿足工程設(shè)計需要。

3.3 溢洪道上游進水渠流態(tài)

試驗表明，溢洪道閘室上游進水渠左岸擋墻上游側(cè)增加長16.5 m的直段并采用開導(dǎo)流孔形式后，在各級洪水頻率流量泄流時，左岸擋墻進水頭部的側(cè)收縮影響和內(nèi)、外側(cè)水位差得到明顯改善，水位差隨著泄流量的減小而減小(見表3)；右岸擋墻進口水流比較順暢，流速分布較均勻，進水渠流速減小，水流較平順。

表3 進水渠推薦方案左岸擋墻內(nèi)、外側(cè)水位差

3.4 消能特性

1) 陡槽段

陡槽段設(shè)置階梯后，階梯槽面流速較光滑槽面流速明顯減小。在設(shè)計洪水校和核洪水條件泄流時，階梯槽面上大部分位置測點的底流速Vd<16 m/s，其他洪水流量泄流時，槽面上的Vd<15 m/s，其對槽面避免遭受高速水流沖刷和增加消能效果是較顯著的[7-12]。

根據(jù)本工程運行的水頭落差大的特點，總結(jié)以往多宗水利工程的試驗研究經(jīng)驗和成果，經(jīng)多方案試驗比較得出：當(dāng)階梯高度為0.38 m、階梯間距為5 m時，陡槽段的水流能量消殺效果較好。試驗表明，由于陡槽末端入池流速受水躍表面回流及漩滾影響，陡槽末端流速差異較大，因此，采用入池前的光滑和階梯陡槽斷面(樁號0+165)平均流速進行消能比較，各種洪水流量泄流消能計算見表4。

由表4可見，陡槽設(shè)置階梯消能工之后，消能效果顯著，階梯槽面的動能約為光滑槽面動能的48%～65%，消能率隨泄量減小而增大，階梯槽面的動能消能率η=ΔE/E1達0.35～0.52。這表明陡槽段階梯消能的效果是明顯的。

表4 光滑和階梯槽面消能比較

2) 消力池段

陡槽段設(shè)置階梯后，在各級洪水頻率流量泄流時，入池流速約為8～16 m/s，消能效果良好，出池跌水消減較明顯，出池水流與下游河道水流銜接較平順。消力池末端尾坎與下游河道水位存在一定的水位差值(見表5)，在校核洪水流量運行時，消力池池長稍偏短，建議在工程投資和施工條件許可的情況下，可將消力池適當(dāng)延長約4～5 m。

表5 優(yōu)化后出池水位與下游水位差值 m

4 結(jié)語

1) 通過對湯溪水庫加固工程溢洪道進行水工模型試驗研究，優(yōu)化了工程設(shè)計方案，經(jīng)優(yōu)化后，進水流態(tài)得到明顯改善，有效減小左、右岸進水的側(cè)收縮影響，過流能力增加。

2) 本工程溢洪道上、下游落差較大，模型試驗在溢洪道陡槽面上設(shè)置了27級階梯跌坎，利用槽面階梯的跌流、漩滾和摻氣作用，階梯槽面增加了陡槽內(nèi)的消能率，陡槽末端動能明顯減小，消力池內(nèi)消能效果較好。

3) 消力池尾坎頂高程降低后，減小了消力池末端尾坎出口的跌流，下游出池水流流態(tài)平穩(wěn)，與河道水流銜接較平順。