唐家湾水库非常泄洪洞消能设施的优化

吕平

（山西省水利水电科学研究院，太原030002）

1 唐家湾水库泄洪设施概述

唐家湾水库枢纽主要由大坝、冲砂泄洪洞、灌溉洞和提水泵站四部分组成，水库设计标准为百年一遇洪水设计，在实际运用过程中，人为地改变了水库原校核洪水位的汛限起调水位，使水库校核标准达到了千年一遇洪水标准。水库旧泄洪洞位于大坝中部0+165.00桩号处，洞身与坝轴正交，洞身为城门洞型，出口为底流消能。新设计的非常泄洪洞（以下简称泄洪洞）位于大坝左侧，为一双孔矩形箱工混凝土结构，全长144.61 m，百年一遇洪水位时，泄量为410.46 m3/s，千年一遇洪水位时，泄量为423.79 m3/s。主要由洞身段、陡槽扩散段、消力池段及海漫段防冲槽段四部分组成。水库运行方式为：百年一遇洪水来临时，由旧泄洪洞泄洪，当洪水位超过百年一遇洪水位时，全部开启非常泄洪洞与旧泄洪洞泄洪。本文主要针对非常泄洪洞的消能效果进行了探讨，通过试验优化了消能设施，提出了高效可行的设计方案，节约了工程成本。

2 模型设计及水力要素量测

试验采用正态模型制作，按重力相似准则设计，模型制作满足《水工模型试验规程》精度的要求，通过计算比选，选定λL=40，模型各物理量比尺如下：

长度比尺：λH=λL=40

流速比尺：λv=λL1/2=6.32

流量比尺：λQ=λL5/2=10119.29

糙率比尺：λn=λL1/6=1.85

泄洪洞为钢筋混凝土结构，其糙率为np=0.014～0.015，相应模型糙率为nm=0.0075～0.0081，采用聚氯乙烯板和有机玻璃板制作模型，其糙率n=0.0079～0.0085，可满足试验要求。为了方便试验观测，模型侧墙采用有机玻璃板制作。泄洪洞流量用三角堰量测，水位用针型水位计量测，流速用86型直读式微型旋浆测速仪量测。

3 试验成果及分析

3.1 原设计方案

原方案中消能部分体型布置如图1（图中高程为相对高程，下同），分别设0+169.61为断面一，0+199.61为断面二，0+229.61为断面三，0+244.61为断面四，0+274.61为断面五，修改方案亦同。

图1 原方案布置图

通过施放洪水，泄洪洞断面一（0+169.61）后接扩散段，在0+172.81～0+173.61处左右侧均有脱流现象，两侧水面比中部水面低2.3 m～3.0 m，水体经陡坡在消力池内产生完全淹没水跃，在断面五（0+274.61）坎顶断面左右侧水面高于中间水面约0.6～0.9 m。到0+290.61断面后直至0+305.61断面处水面为中间高两侧低。部分断面的水面高程见表1。

非常泄洪洞断面一上游25 m处断面设计与校核条件时平均流速分别为13.18 m/s、14.87 m/s，扩散段断面二得设计与校核条件下左侧流速分别为12.98 m/s、12.90 m/s，右侧流速分别为12.54 m/s、12.80 m/s，消力池后海漫段局部流速最大可达7.5～8.0 m/s。

表1 原方案泄洪洞水深（单位：m）

3.2 修改方案

针对原方案存在的消能段较长的问题，为了减少消能部分的工程量，进而降低工程造价，修改方案一将扩散段后半部分改为台阶式，从断面二至断面三之间设6阶台阶，每一阶台阶宽5 m，高0.5 m，断面三至断面四为消力池，池深2.25 m。断面四后与原设计海漫相连，修改方案的布置图如图2，测得部分断面水深如表2。

表2 修改一方案泄洪洞水深（单位：m）

经修改后，水流经扩散段的台阶下泄后进入消力池，试验表明，在设计与校核条件下水流在消力池内均可形成完全淹没水跃，消力池后水面衔接平顺。台阶上最大流速可达15.5～16.5 m/s，海漫段局部最大流速达7.5 m/s。经分析，该方案台阶上流速较大，存在台阶产生气蚀破坏的隐患，故将台阶修改为1:10的陡坡，保留最后一阶0.5 m跃坎，其流态及流速分布并没有发生太大改变，两者比较而言，均可达到满意的消能效果，但台阶式施工较为复杂，台阶钢筋混凝土标号需提高，建议采用陡坡加消力池形式，具体布置形式见图3。

图2 台阶式加消力池布置图

图3 陡坡式加消力池布置图

4 结论

试验表明，非常泄洪洞体型尺寸合理，满足泄洪要求。原设计的非常泄洪洞消能部分布设不尽合理，经试验修改优化后，消力池长度大为减小，消能段长度比原设计缩短30 m，修改后体型为台阶式加消力池与陡坡式加消力池，两者均能满足消能要求，推荐施工较为简单的后一种形式，可降低工程造价。