李明忠 LI Ming-zhong；林妮 LIN Ni

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430071）

1 工程概況

某水庫(kù)是一座以城鎮(zhèn)供水為主，兼顧灌溉補(bǔ)償、改善下游生態(tài)等綜合效益的中型水利工程。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)，水庫(kù)總庫(kù)容1050 萬(wàn)m3。

溢洪道布置在大壩右岸，為有閘控制開敞式溢洪道，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段及消能防沖段組成。溢洪道全長(zhǎng)342.77m?？刂贫尾捎民劮逖?，堰頂高程726.20m，布置2個(gè)表孔，設(shè)2 扇弧形工作閘門，閘門尺寸為6.0m×7.3m（寬×高），工作閘門前設(shè)檢修閘門槽，兩孔公用一扇閘門?？刂贫雾樅酉蜷L(zhǎng)度為24.0m，靠壩體一側(cè)邊墩采用重力式擋墻型式，頂寬5.0m，靠岸坡一側(cè)邊墩采用衡重式擋墻型式，頂寬1.5m，中墩采用直立式擋墻型式，頂寬2.0m。泄槽段軸線全長(zhǎng)123.80m，收縮段長(zhǎng)30.0m，控制段出口由14m漸變?yōu)?0m。泄槽在溢0+024.00 至溢0+093.86 段底坡為i=0.05，后接拋物線y=0.02x2+0.05x，拋物線后泄槽底坡為i=0.833。泄槽末端接消力池，消力池首端寬10m，末端寬14m。池長(zhǎng)55m，池底底板高程689.00m，消力池左側(cè)邊墻為C25 砼重力式擋墻，右側(cè)邊墻為砼衡重式擋墻，墻頂高程700.70m，消力池下游設(shè)尾坎，坎頂高程493.5m，消力池后接漿砌石海漫，厚0.5m，與下游河道順接。

2 模型實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次模型試驗(yàn)主要研究：觀測(cè)泄槽、消力池內(nèi)及下游河道的水流流態(tài)、水力學(xué)特性，測(cè)試漸擴(kuò)式消力池消能效率；宣泄大壩校核洪水時(shí)，若出現(xiàn)洪水漫出消力池，測(cè)試洪水對(duì)壩腳的影響；研究消力池最優(yōu)池長(zhǎng)和擴(kuò)散角，提出推薦的消力池尺寸或輔助消能措施，根據(jù)模型試驗(yàn)情況，對(duì)設(shè)計(jì)方案提出優(yōu)化建議。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)和要求，本模型試驗(yàn)主要涉及溢洪道下泄水流的流態(tài)、流速、水深、壓強(qiáng)等水力學(xué)指標(biāo)。為了保證水流、泥沙的運(yùn)動(dòng)相似，最好選擇正態(tài)模型。水流運(yùn)動(dòng)相似按重力相似準(zhǔn)則考慮[1]，按佛汝德數(shù)相似[2]計(jì)算，各比尺換算關(guān)系如下所示：

考慮試驗(yàn)場(chǎng)地和用水量要求，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)為比尺λl=λh=50 的正態(tài)模型[3]，相關(guān)水力學(xué)參數(shù)的相似比尺如表1 所示。

表1 模型試驗(yàn)各項(xiàng)相似比尺

試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M了上游庫(kù)區(qū)、溢洪道、消力池及下游河道等范圍，上游和下游河道模型制作采用斷面控制，每隔50m 設(shè)一個(gè)控制斷面，地形變化較大區(qū)域局部加密至25m一個(gè)控制斷面。庫(kù)區(qū)模擬長(zhǎng)度為400m，其中模型進(jìn)口模擬至溢洪道進(jìn)口上游200m（14 倍進(jìn)口寬度），模擬高程至740.0m。下游模擬了消力池出口下游250m 長(zhǎng)度的河道，模擬至705.0m 高程。溢洪道、消力池均采用有機(jī)玻璃制作[4]。模型上游入口流量采用矩形薄壁堰控制。模型試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖見圖1。

圖1 模型試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖

3 設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)成果

3.1 實(shí)驗(yàn)工況

設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)中，重點(diǎn)觀測(cè)了消能防沖頻率洪水和校核頻率洪水（調(diào)洪后）下，溢洪道敞泄運(yùn)行工況，觀測(cè)的水力學(xué)指標(biāo)包括各部位水流流態(tài)、沿程水面線、流速、壓強(qiáng)等各項(xiàng)指標(biāo)，觀測(cè)工況如表2。

表2 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)工況

3.2 水流流態(tài)

模型試驗(yàn)觀測(cè)了不同工況下溢洪道沿程各部位水流流態(tài)，觀測(cè)成果表明：①不同工況下，泄槽水流在消力池部位以底流形式銜接。消能防沖頻率洪水和校核頻率洪水（調(diào)洪后）下，入池單寬流量分別為33.3m3/（m·s）和51.6m3/（m·s），入池流速和單寬流量相對(duì)較大，入池水流直沖消力池尾坎，水躍躍首位于消力池中后部，在消力池后部形成較大的水面旋滾和紊動(dòng)。消力池中部水面波動(dòng)幅度較大，消能防沖頻率洪水和校核頻率洪水（調(diào)洪后）下，最大水面波動(dòng)均會(huì)高于消力池邊墻高度。②入池水流對(duì)沖消力池尾坎后，水流在尾坎處上涌，繼而呈跌流流態(tài)與下游河道水流銜接。消力池流態(tài)見圖2。

圖2 校核工況下消力池流態(tài)圖（初設(shè)方案）

3.3 沿程水面線

模型試驗(yàn)觀測(cè)了不同工況下溢洪道沿程水面線和水深，觀測(cè)成果表明：消力池范圍內(nèi)的平均水位沿程逐漸升高，工況1（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎處的水位為700.50m，消力池范圍內(nèi)的最大平均水深為10.13m，尾坎處平均水深為7.00m。工況2（0.1%，506.0m3/s）下，消力池尾坎處的水位為705.50m，消力池范圍內(nèi)的最大平均水深為11.50m，尾坎處平均水深為12.00m。溢洪道沿程水面線觀測(cè)成果表明，消力池中后部邊墻超高不足。消能防沖工況下，消力池水面線成果見表3。

表3 消力池水面線成果表

3.4 沿程流速

消力池臨底流速較大，入池水流會(huì)直接對(duì)沖消力池尾坎，在消力池內(nèi)未形成完全水躍。對(duì)沖水流受消力池尾坎阻擋而局部壅高，因而消力池尾坎部位的水流流速在順?biāo)鞣较蜉^小。

4 溢洪道體型優(yōu)化

消力池采用底流型消力池布置方案，消力池底板高程687.0m，與泄槽以半徑為10.0m 圓弧銜接；消力池采用漸擴(kuò)式布置方案，消力池長(zhǎng)55.0m，入口寬度10.0m，出口寬度14.0m，出口尾坎高程693.5m；消力池邊墻高程為698.7m；消力池下游設(shè)混凝土護(hù)坦，護(hù)坦頂高程689.0m，長(zhǎng)25.0m。消力池優(yōu)化后斷面圖如圖3 所示。

圖3 消力池優(yōu)化后縱斷面圖

圖4 消能防沖工況下消力池流態(tài)圖（調(diào)整后）

5 推薦方案試驗(yàn)成果

5.1 水流流態(tài)

水流在消力池內(nèi)形成完全水躍。水躍躍首在反弧段和消力池入口范圍內(nèi)波動(dòng)，隨入池單寬流量增大，躍首會(huì)略向下游推移。消力池內(nèi)水面紊動(dòng)劇烈，隨入池單寬流量增加，水體紊動(dòng)強(qiáng)度增加。消力池出口部位，水流均呈跌流流態(tài)與下游河道水流銜接，且隨下泄流量增加，跌流高度增加。水流跌落點(diǎn)位于混凝土護(hù)坦范圍內(nèi)，主流位于河道左岸。流態(tài)較調(diào)整前明顯改善。

5.2 水面線

當(dāng)流量大于等于20%頻率洪水180.0m3/s 后，消力池內(nèi)最大波動(dòng)水位均高于消力池邊墻頂高程。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、設(shè)計(jì)洪水（2%，376.0m3/s）和消能防沖洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池內(nèi)平均水位最高值分別為703.00m、700.88m、699.25m，消力池內(nèi)波動(dòng)水位最高值分別為705.00m、702.25m、701.00m，均高于消力池邊墻頂高程698.70m。優(yōu)化后水面線成果見表4。

表4 消能防沖工況下水面線成果表

5.3 沿程流速

校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、設(shè)計(jì)洪水（2%，376.0m3/s）和消能防沖洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎斷面平均流速分別為9.35m/s、6.41m/s、6.88m/s，最大流速分別為10.41m/s、8.40m/s、7.62m/s。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、設(shè)計(jì)洪水（2%，376.0m3/s）和消能防沖洪水（3.3%，333.0m3/s）下，尾坎水流跌落點(diǎn)范圍內(nèi)的最大流速分別為14.67m/s、8.26m/s、8.78m/s；護(hù)坦末端斷面流速平均值分別為6.21m/s、4.60m/s、5.79m/s，最大值分別為7.01m/s、7.34m/s、5.98m/s。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、設(shè)計(jì)洪水（2%，376.0m3/s）和消能防沖洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎下游100.0m 范圍內(nèi)，河道左岸沿程最大岸邊流速分別為5.88m/s、5.14m/s、4.47m/s，下游河道沿程右岸岸邊最大流速分別為5.18m/s、4.65m/s、3.82m/s。

6 結(jié)論

初步設(shè)計(jì)階段，水庫(kù)溢洪道消力池采用漸擴(kuò)形式，依據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范（SL 253-2018）4.5.5 款第4 條[5]，其體型、布置和水力計(jì)算需經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)溢洪道消力池體型進(jìn)行了調(diào)整，提出了合理化建議，為消力池安全運(yùn)行提供了保證。