前坪水库溢洪道单体水工模型试验研究及分析

(1.河南省水利科学研究院，河南 郑州 450003； 2.河南省科达水利勘测设计有限公司，河南 郑州 450003)

1 水库及工程概况

前坪水库位于河南省洛阳市汝阳县，水库控制流域面积1325km2。枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站厂房、退水闸、灌溉闸及消能防冲建筑物等组成。设计洪水标准500年一遇校核，库水位418.36m；5000年一遇校核，库水位422.41m。防洪库容2.10亿m3，兴利库容2.61亿m3，总库容5.90亿m3，为Ⅱ等大(2)型工程。

溢洪道工程位于枢纽左岸，轴线总长415m，其中引水渠长度252m，闸室段长度35m，泄槽段长度116m。堰型采用WES曲线型实用堰，堰顶高程403.00m，共5孔，每孔净宽15m，闸室宽度87m，长度35m，下接泄槽段和消能段，消能方式采用挑流消能。溢洪道每孔设1扇弧形工作闸门，每扇闸门由1台弧门液压启闭机操作。为验证前坪水库溢洪道设计布置方案的合理性和优化的可能性，根据模型与原型的相似准则，选用比尺1∶50的正态模型对溢洪道泄流能力、水面线位置、水流流速流态、压力分布、消能方式、进出口体型等进行了全面系统的研究，尝试采用不同导墙形式改善进口水流流态，并给出了有利于消除不良流态的导墙形式。

2 模型设计

根据相似准则，按照重力相似设计水工模型[1-2]，该模型为几何比尺1∶50的正态模型。模型主河槽及两岸山体设计主要是通过水泥砂浆粉面拉毛处理来满足阻力相似准则，溢洪道正态模型采用有机玻璃制作，模型长度范围取闸室进口向上游120m至下游挑流鼻坎下100m，总长度351m；模型宽度范围以不影响溢洪道进水口流态为依据，模型高度以校核洪水位情况下，上下游水位加20cm超高控制。为了确保试验精度，使模型能准确反映原型水流状况，在模型进水口增设多道花墙以平稳水流；加之河道的天然调整能力，该模型范围对于满足试验段流场与原型流场的相似是足够的。

3 原设计方案试验结果

3.1 泄流能力及水位流量关系

试验是在选定的溢洪道上下游河道为定床基础上进行的。试验工况依据设计单位提供的特征水位流量进行(试验数据详见表1)。

表1 溢洪道试验实测特征水位及流量关系

从表1可以看出，在施放50年一遇洪水时，试验实测泄量为7789m3/s，较设计值大1.33%；在施放500年一遇(设计)洪水时，试验实测泄量为8800m3/s，较设计值大1.76%；在施放5000年一遇(校核)洪水时，试验实测泄量为12867m3/s，较设计值大4.75%；各工况下，泄流能力满足设计要求。

3.2 沿程水面线

试验采用固定测针和活动测针相结合来观测水位。在三种工况下，水流主体均偏向进水渠左侧，水位左高右低，由上向下，水位逐渐下降。断面最大横向水位差为2.32m左右。各特征工况下水流均未超过边墙，边墙高度设计合理。

3.3 动水时均压力

在三种特征水位下，溢洪道沿程所测的压力数据均为正压，无负压出现，压力分布良好。闸室控制段最大压力和最小压力均出现在校核水位时，最大压力位于0+023.50断面，为20.19m水柱，最小压力位于0+012.00断面，为0.84m水柱；泄槽段最大压力出现在校核洪水位时0+139.00断面，为22.14m水柱，泄槽段最小压力出现在50年一遇洪水位时0+149.00断面，为0.55m水柱。

3.4 流速流态

流速流态在三种工况下，上游库区水位平稳，溢洪道进口引渠段水流平顺，闸室进口右侧进流由于受绕流影响，沿右侧导墙内侧产生微小、连续的小涡纹和回流，导墙内外水位落差最大8.46m。闸室进口左岸进流较为平顺，水流流态较好。水流出闸室后在墩尾形成水翅，水流经鼻坎挑射入下游河道，在尾水中发生冲击、紊动、扩散和漩涡等。实测溢洪道中轴线平均最大流速27m/s，溢洪道的最大挑距为121m，下游冲坑最低点高程为316.36m。

4 溢洪道右侧导墙修改试验结果

根据试验结果发现，溢洪道闸室进口右侧进流由于受绕流影响，沿右侧导墙内侧产生大范围回流区，导墙内外水位落差较大，且溢洪道闸前水面形成较大的横向比，从左向右水面逐渐减低，使进闸水流分布不均匀，为改善溢洪道进口右侧水流流态[3]，减少对泄流能力的影响，对溢洪道进水渠右侧导墙进行一系列优化试验[4-6]。

4.1 溢洪道右侧导墙修改方案

溢洪道右侧导墙共进行3个方案的比对试验(具体修改方案如下表2)。

表2 溢洪道进口导墙修改方案

4.2 溢洪道右侧导墙修改后试验结果

选取5000年一遇校核洪水作为试验工况，在试验过程中各种方案均控制相同泄量，以便对各试验方案进行对比分析(溢洪道右侧导墙修改方案前、后在校核洪水位下的进水渠水流流态分别如图1～图4所示)。

图1 原方案溢洪道进口水流流态

图2 方案一溢洪道进水口流态

图3 方案二溢洪道进水口流态

图4 方案三溢洪道进水口流态

根据以上试验结果，三种方案均满足溢洪道泄量要求。方案一进口处水流较平顺，右侧导墙附近没有出现强烈的旋流，水流流态较好，凹度最深处内外水位差约7.92m；方案二墩前进口水面波动、旋滚、水流紊乱，凹度最深处内外水位差约8.73m；方案三墩前进口处水面轻微波动，导流前段有小范围回流，凹度最深处内外水位差约9.27m。由此可见，方案一达到对进水渠右导墙进行优化的目的，且方案一在校核水位下泄量比原方案分别增加27m3/s，故推荐采用方案一的体型作为溢洪道进口右侧导墙的布置型式。

4 结论与建议

试验结果表明，溢洪道各工况下泄流能力均能满足设计要求。通过三种右导墙体型试验分析可知，方案一导墙体型在一定程度上削弱了导墙附近强烈的旋流，使进口水流趋于平顺、稳定，并减小了导墙内外水位差；通过本试验对溢洪道导墙结构形式进行分析和优化，确定了溢洪道导墙的设计参数，为设计提供依据，目前施工采用的是前文所述的方案一，前坪水库现为在建阶段，本试验也为同类工程提供重要的参考。

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