西梁水库溢洪道水工模型试验研究

田 杰

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

1 工程概况

西梁水库溢洪道位于大坝右侧轴桩号0＋273.6处，堰顶高程552.5 m，汛限水位552.5 m。设计洪水位555.22 m，下泄流量104.5 m3/s，校核洪水位556.77 m，下泄流量204.5 m3/s，为开敞式溢洪道，由引渠段、控制段、一级消力池、水平直线段、水平转弯段、泄槽段、二级消力池等七部分组成，全长365.3 m。

控制段采用箱涵型式。控制段后设一斜坡渐变段，底板宽度由15.8 m变为10 m，渐变段长6 m，纵坡1∶1.4。斜坡渐变段后设一级消力池，长10 m，深1.0 m。一级消力池后设水平直线段，长21.5 m。水平直线段后设水平转弯段，长33.8 m，水平转弯段后接泄槽，长182 m，纵坡10.27%。泄槽末端接二级消力池，长35 m，深2.7 m，为减少消力池边墙高度，在距离消力池首部4.56 m处设消力墩。二级消力池后设40 m长的海漫和10 m的抛石防冲槽。溢洪道平面布置图及侧视图见图1和图2。

图1 溢洪道平面布置图

2 试验目的与模型设计

2.1 试验目的与内容

1）通过水工模型试验，验证溢洪道布置方案的合理性。

2）验证溢洪道的泄流能力、水面线、流速等计算成果，为设计提供依据。

图2 溢洪道侧视图

3）验证溢洪道消能形式的可行性，并对其消能工体型进行优化。

4）观察并描述溢洪道进口、泄槽及消力池等部位的水流流态，对不良流态提出改善措施。

5）提供海漫段和抛石防冲槽段水面线、流速分布情况、冲刷情况的评价及改善措施。

2.2 模型设计及比尺选择

模型遵循重力相似准则，并按照佛汝德定律进行设计，根据试验设备、场地及供水能力等条件，并依据模型试验规程的精度要求，采用长度比尺λL＝40的整体正态模型。

2.3 模型制作及量测仪器

模型制作及安装按照《水工常规模型试验规程》SL155—95中相关条款的要求进行。

建筑物系钢筋混凝土结构，其糙率np＝0.015，要求模型糙率为nm＝0.008 1。模型采用有机玻璃和聚氯乙烯板材制作，其糙率n＝0.007 5～0.008 5；满足要求。

为了满足溢洪道进口水流的相似，模型中库区部分依据设计提供的库区地形图按照长度比尺缩制，表面用水泥砂浆塑制而成。出口防冲槽以后也按照地形图进行缩制。为了方便观测流态，溢洪道侧墙采用有机玻璃板制作，底板用聚氯乙烯塑料板材制作。

试验所用量测设备：总流量用三角量水堰控制（下游用矩型堰复核流量）；水面线用活动测针测读；流速用OA型直读式微型旋浆测速仪量测；时均压力用测压管测量。

3 设计方案试验

3.1 设计方案泄流能力

设计方案下特征水位的泄量与试验实测泄量比较见表1。

表1 溢洪道设计泄量与试验实测泄量比较

由表1可知：设计条件下，库水位为555.22 m时，相应的试验流量为102 m3/s，比计算值约小2.39%，小2.5 m3/s；校核条件下，库水位为556.77 m时，相应的试验流量为197.8 m3/s，比计算值约小3.28%，小6.7 m3/s。由此可知，溢洪道的泄流能力基本满足设计要求（试验值略小于计算值）。

3.2 设计方案溢洪道压力分析

设计条件下，泄槽段没有形成掺气水流，只是在斜坡段（0－71.3～0－65.3）的0－70.97附近出现负压。0－65.3附近底板压力超过4.63 m；一级消力池0－56.1断面处右侧墙压力超过4 m；泄槽末端与消力池中压力均超过4 m，达5 m以上。

校核条件下，斜坡段0－70.97附近出现负压。0－65.63附近、0－64.9处侧墙处、0－55.3附近右侧墙和底板处、二级消力池处压力为6～7 m之间。

拆除辅助消能工后，二级消力池坎侧面中部压力7.75 m。

3.3 设计方案溢洪道流态

试验观测表明：设计条件下（104.5 m3/s），库区水流平顺，由于溢洪道引渠不对称，导致溢洪道进口（引渠段）水流流态不好，一级消力池（055.3～65.3）内，水流流态紊乱，沿水流方向翻滚，同时由于断面的收缩，侧向也有翻滚，校核条件下（204.5 m3/s），库区水流平顺，水流到达一级消力池后，形成3～6 m/s的翻滚水体，水流流态紊乱。

3.4 设计方案溢洪道水深

试验测得，设计条件下（104.5 m3/s），二级消力池内水面高程最高达536.224 m，超过了设计侧墙高程536 m；校核条件下（204.5 m3/s）；在二级消力池内水面最高高程为538.53 m，

3.5 设计方案溢洪道流速

设计条件下（104.5 m3/s），流速分布在引渠进口段不均匀，断面左侧流速是0.23 m/s右侧流速几乎为零，进入泄槽段，水流形成急流，流速在5～15 m/s之间，中线流速大于左右两侧流速，大部分底部流速大于表流速，防冲槽段流速在4 m/s以下，下游流速在2 m/s以下。校核条件下（204.5 m3/s），由于溢洪道引渠不对称，导致进口流速分布不均匀，在0＋217消力池出口处流速8 m/s以上；在0＋217～0＋242海漫段底流速达8 m/s以上，防冲槽内和下游流速在4 m/s以下。

3.6 设计方案无消能工条件下流态、水深及流速分析

设计方案在泄槽下游二级消力池内设消能工，下游去掉辅助消能工后泄放设计流量时，依然在0＋170处开始形成水跃，平均流速为12.85 m/s，比有消能工14.34 m/s小了1.49 m/s。在二级消力池出口流速为4.5 m/s，和有消能工相近。池内最高水面达534.59 m，较有消能工水面最高536.224 m低1.6 m左右。0＋217～0＋227段流速与有消能工情况相差不大，水深要小1 m左右。在0＋250附近形成二次水跃比有消能工条件下提前2 m。海漫段流速7 m/s左右。

校核条件下，在0＋193.4断面开始起跳，形成水跃，比有消能设施水跃推后17 m左右。池内水流紊动、混掺强烈，水面跳跃，最高水面536.59 m，在出口处水面最高达536.9 m。与有辅助消能设施相比，水面最高降低了近2 m，海漫段的平均流速也有些许的下降，但底部流速却在部分位置超过10 m/s。

4 设计方案存在问题及改进意见

由溢洪道设计条件及校核条件观测资料可以看出总体设计方案基本合理，但存在一些问题，在可能的条件下，应做必要的修改，以使设计更加完善，达到经济合理安全可靠的目的。

由于溢洪道位于大坝右侧，引渠进口断面不对称，从库区引渠段看：左侧墙顶高程随地形向上游延伸，加之左侧墙有部分墙高低于水面，有部分水流由侧墙翻入引渠中与正向来水形成交汇，形成漩涡，并使箱涵左孔流速大于右孔，建议加高左边墙使引渠水流全由进口流入。

斜坡及一级消力池段，因入池水流佛氏数不足2，消能率低，故消力池中形成不稳定水跃，受两侧墙水流的压缩作用，产生横向漩涡，校核情况下出池水流波动大且不稳定，局部水流超过边墙，水流有折冲，使得直线段的水面波动较大，进入弯道后水面左右高差加大，需对消力池地板高程及边墙扩散长度等做局部修改，同时对平坡段做一定调整水流的措施，使其更加均匀稳定，以保证进入陡坡段水流更加均匀。

泄槽段（陡坡段）水流无明显折冲，虽有菱形波，但基本对称，陡槽中水深各断面左中右基本一致，流速沿程逐渐增大，陡坡段不需做相关修改，只是局部边墙应适当加高。

当消力池中有消能工或无消能工时，在设计情况下，消力池中均能产生完整水跃，池长有一定富余，而在校核情况下，则当池中有消能工时，池前产生立式漩涡，池后水面有大的波动，出池水流紊乱，边墙高度明显不足；当池中无消能工时，池中产生远趋式水跃，跃尾部分冲出池外，池中水流紊乱波动大，池后边墙高度不足，因此，建议考虑减小入池单宽流量，即采用扩散式消力池或突扩式消力池，使入池水深h1减小，其共轭水深h2也相应减小，也可考虑降低池深以增大h2以满足校核流量对消能的要求。

由于河道尾水低，出池水位高，加之出池后海漫段体型扩散，在海漫形成急流，故在与河床水位连接处产生二次水跃，在设计情况时海漫上流速达到6～7 m/s，干砌石难以承受，同时海漫两侧流速也较高需考虑必要的防冲措施，建议根据地形地质情况降低消力池底板高程，相应的降低海漫高程，以减小出池水流与河流水位的落差。

总之，从溢洪道试验资料看，溢洪道设计基本正确，但对于局部有缺陷的地方，需根据当地实际情况做一些必要的修改。