水库溢洪道模型设计及大圆弧导向鼻坎实验研究

应 飞

(景德镇市计划节约用水办公室 江西 景德镇 333000)

溢洪道在水利枢纽中承担着十分重要的泄洪功能，用于排放水利枢纽中多余的水量、泥沙、冰棱、水工建筑物等。水库一旦出现病险，不但会削弱对洪水的调控能力，还会产生巨大的安全隐患，因此溢洪道是保证水库安全稳定运行的重要保障。研究表明，大坝失效事故频繁发生，平均每年有133人死于溃坝事件[1]。引起大坝失效的因素有：地基问题、泄洪能力不足、不均匀沉降、操作失误、高空隙压力、坝坡滑移、材料缺陷、地震等[2～3]。其中，地基问题是导致大坝失效的直接因素，因地基问题引起的大坝失效占到了39%；其次便是水库泄洪能力不足，因泄洪能力不足诱发的大坝失效占到了23%，图1给出了诱发大坝失效的各因素所占比例情况[4]。

按用途划分，水库溢洪道可分为正常溢洪道、非常溢洪道两种。正常溢洪道用于排泄水库设计最大洪峰之内的流量；非常溢洪道则在紧急情形下开设，排放设计洪峰之外的洪水[5]。基于国内外现有研究进展，首先介绍了溢洪道挑流消能理论，并指出常见挑流鼻坎的特点。吴持恭提出的挑流消能理论在溢洪道泄水中得到了广泛应用，使一定流速的射流在特定挑射角下射入空气，射流与空气充分摩擦、掺合后落到挑流鼻坎下游水塘中，水流在水塘中撞击形成冲坑，达到消能的目的。

1 工程概况

玉田水库距景德镇市19km，位于浮梁县湘湖镇玉田埠村。玉田水库总库容7570万m3，属于中型水库，工程等级为Ⅲ等。主要建筑物包括主坝、1#副坝、2#副坝、溢洪道、引水隧洞，设计洪水标准为百年一遇。水库正常蓄水位为71.0m，死水位52.39m，隧洞不参与泄洪。主坝为均质土坝，坝顶高程77.50m，坝顶宽7m，坝长340m；1#副坝位于大坝左岸上游1.5km的垭口处；2#副坝位于主坝右岸，与主坝右端直线距离约220m，1#、2#副坝采用均质土坝。

溢洪道位于主坝左岸、主坝和1#副坝之间，在原溢洪道上游约65m新建，为浆砌块石重力坝，坝长240.9m，溢流堰宽度70m，顶高程71.0m。溢洪道为开敞式，溢流段宽46.5m，堰顶高程58.19m，宽顶堰下游接底坡比1∶5.0，采用综合式消力池消能，消力池池底高程 46.3m，宽 46.5m，长 31.0m，池深2.2m，坎高1.0m。底板为0.8m～1.0m厚混凝土护底，两侧坡比1∶2，为块石护坡。溢流堰部位地基土为残坡积粘土，土层较紧密，粘性较好，硬塑状态，厚度5m～7m，透水性较弱。消力池部位基岩裸露，基岩为厚层状白云质灰岩，局部夹黑色灰岩，防冲刷能力较强。因水库扩建，现溢洪道堰顶高程已不满足扩建后的水库运行要求，故需对溢洪道进行扩建。

2 大圆弧导向鼻坎实验方案

2.1 溢洪道模型设计

图1 诱发大坝失效的各因素比例情况

图2 溢洪道出口挑坎现状

由于溢洪道堰顶高程已经不满足水库运行需求，为了避免冲刷岸坡，保证坝堤公路安全，建立了溢洪道水工模型，依据模型试验结果对泄洪排沙洞和溢洪道挑坎进行优化设计。溢洪道出口挑坎现状见图2。

表1 第1种实验方案

表2 方案1各工况冲坑特征情况

表4 方案2各工况冲坑特征情况

溢洪道模型设计时须严格按照相似准则进行设计，根据实验室的大小和相似需求，本模型的几何尺寸比设置为Lr=50，溢洪道模型为标准正态模型。流量比例尺Qr为17677.67，流速比例尺Vr为7.07，时间比例尺Tr为7.07，粗糙率比例尺nr为1.92。本次模型试验上游模拟库区至坝轴线以上300m，库内制作了溢洪道的引水渠和100m的上游护坡。溢洪道模型的闸室、挑坎、泄水槽等均采用有机玻璃制作，模型粗糙度与原型相似。下游模拟至溢洪道挑坎末端以后200m，其中动床长度180m，下游岸边地形设置为定床，高程在20m左右。溢洪道出口下游主要消能区基岩高程在15m左右，其覆盖层小于1m，因此动床铺沙高程定为15m。下游河床采用天然砂砾模拟河床基岩，该砂砾的粒径范围满足相似准则。

玉田水库为已建工程，溢洪道轴线和泄槽的外形已经确定，只能通过改变左边墙的导向曲率来加大导向力度，使挑坎水流尽可能的远离岸边，避免挑流水舌落点集中。因此对水库溢洪道模型进行大圆弧导向鼻坎实验。

2.2 第1种实验方案

第1种实验方案的左边墙采用大导向圆弧，并对其进行斜平面贴角处理。本方案较原有挑坎进行了以下修改：

（1）将原挑坎的左边墙改为半径为24m的导向圆弧边墙，圆弧起始点桩号为0+280.5m；

（2）在导向圆弧边墙下段设置了斜平面三角体贴角，以分散溢洪道水舌；

（3）为了使小流量泄洪水流能够挑射出去，将原挑坎的右边墙缩短5m。

在第1种实验方案下观察泄洪量分别为200m3/s、500m3/s、700m3/s和 1101m3/s（设计百年一遇洪水）共四种泄洪状态下的溢洪道水舌形状，下游消能区流速分布和冲淤地形。实验方案列于表1。

实验观测到：在弧形导墙和三角体贴角的共同作用下，挑坎中部和左侧的挑流向右翻卷，泄洪量越大，扩散宽度最大；挑坎右侧的水流仍然挑入河床，整个水舌形态呈现上下分层并有横向扩散的趋势。方案1下的水舌远离左岸，从根源上解决了岸坡冲蚀的问题。各工况冲坑特征情况列于表2。

2.3 第2种实验方案

与第1种实验方案相比，方案2左边墙采用大导向圆弧，圆弧半径为30m，挑流坎边墙末端向下游延伸4m，右墙末端保持不变。整个大圆弧导向鼻坎为右导向斜挑坎，挑坎底面的圆弧较原挑坎延长，实验方案列于表3。

实验观测到的方案2的挑坎水舌形状和下游流动状态均与方案1形似。挑坎中部和左侧的出挑水流均向右翻转，有效的阻止了岸坡冲蚀的问题。各工况冲坑特征情况列于表4。从冲刷数据来看，泄洪量小于700m3/s时，洪水对岸坡的冲刷大大减轻，冲坑深度达7m，说明较多的能量被消耗。

3 溢洪道挑流水舌数值模拟

为了验证溢洪道模型试验的准确性，利用GAMBIT建立溢洪道网格模型，并采用FLUENT软件对试验方案2的挑出水舌进行数值模拟，总网格数目约为22.6万。本次试验共采取了3种计算模型：κ-ε模型、RNGκ-ε模型和RKE模型。κ-ε模型中：κ为湍动能，ε为耗散率，这个模型主要针对旺盛的湍流，计算旋流时会有部分失真。RNGκ-ε模型修正了粘度对湍流中小尺度流动的影响，可以很好的处理流线弯曲的湍流。RKE模型引进了旋流的内容，其湍动粘度并非常数，而是与应变率有关的函数。

三种计算模型模拟得到的出口流量相差小于2%。上一节中的模型试验得到挑高为19m，κ-ε模型计算得到的挑高为17.8m，RNGκ-ε模型为18.2m，RKE模型为18.4m。图3、图4、图5分别给出了3种计算模型模拟得到的流态图。

图3 κ-ε模型流态图

图4 RNGκ-ε模型流态图

图5 RKE模型流态图

由数值模拟结果可知，3种计算模型模拟结果与模型试验的水舌形状基本相似，说明数值模拟精准度良好。3种计算模型中κ-ε模型、RKE模型得到的横向挑距与模型试验结果相差较大，而RNGκ-ε模型误差较小。

4 结语

以玉田水库溢洪道为研究对象，设计了水库溢洪道模型，选择了两种大圆弧导向鼻坎方案进行试验研究。试验测量得出了冲刷深度、最深点位置和设计流量下的水舌形状。随后利用FLUENT软件对第2种方案进行数值模拟，得出了κ-ε模型、RNGκ-ε模型和RKE模型下的模型流态。试验研究表明：RNGκ-ε模型计算到的流态与模型试验结果最为接近。

[1]木克然·阿娃,阿力甫江·阿不里米提,木拉提·玉赛音,等.阿拉沟水库溢洪道流场数值模拟 [J].水利与建筑工程学报,2014,02:38-43.

[2]赵保利,李晓东.浅谈桃曲坡水库溢洪道工程结构设计要点 [J].陕西水利,2014,02:98-99.

[3]岳生娟,张法星,曲景学,等.某水库溢洪道泄洪消能的试验研究 [J].中国农村水利水电,2014,10:120-122+125.

[4]杨磊,徐宏亮,唐培磊,等.许家崖水库溢洪道消能防冲方案模型试验研究 [J].水力发电学报,2014,06:149-154.

[5]田莉,赵涛.某水库溢洪道出口挑流鼻坎优化试验研究[J].人民黄河，2013，08:132-133+136