巴木墩水库溢洪道的水工模型试验分析

蔡宝柱，张胜东

（新建兵团勘测设计院（集团）有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830002）

1 试验工作规划

巴木墩水库工程位于巴木墩河出山口，该工程为巴木墩河上的山区控制性工程，水库承担下游农业灌溉、工业用水的调节任务。水库的修建，可实现地表水资源的合理配置和高效利用，有效调节年内水量，提高灌溉供水保证率，保障社会稳定，促进民族团结，对社会经济的快速发展具有十分重要的意义。其中溢洪道位于左坝肩，为岸边开敞式侧堰溢洪道，堰型为无闸侧槽WES堰，堰宽40 m。溢洪道由侧堰段、控制段、泄槽段、消能段四部分组成，全长450.17 m（水平投影长度）。

试验工作主要分为三个阶段。

（1）按照设计院的设计方案，对无闸溢洪道进行模型试验验证，观察设计方案整体布置的合理性，并对特征水力学参数进行测验，提交原设计方案体型模型试验中间成果。然后通过和业主及设计单位讨论沟通，提出修改优化方案。

（2）根据讨论意见，对体型进行修改和优化，并对其进行试验观察论证，提出适合本工程的推荐体型方案。

（3）对推荐的体型进行全面测验，为设计提供必要的依据，也为工程的运行提供参考。

2 模型设计与制作

模型按重力相似准则设计，考虑模型试验的任务要求，并结合实验室场地等条件，采用比尺Lr=70。流量比尺Qr=Lr5/2=40996.3；流速比尺Vr=Lr1/2=8.367；时间比尺Tr=Lr1/2=8.367；糙率比尺Nr=Lr1/6=2.030。模型泄水建筑物采用有机玻璃制作，满足糙率相似。模型图见图1。

图1 巴木墩溢洪道水工模型布置图

对溢洪道下游出口河床沙粒径的选择，从大坝轴线向下游到达提供地形图的边界处，河道平均比降约5%，属于山区河道，当河道行洪时，按照经验，其河道流速应该在6 m/s左右，如果按照该流速控制，再按伊兹巴什公式：

式中：V为河床基岩抗冲流速，m/s；K为岩性系数，一般为5～7；D为河床基岩当量料径，m。

计算得到冲刷料的当量料径D的范围在1.00 m～1.96 m（模型1.40 cm～2.80 cm），实际采用1.00 cm～2.50 cm。

3 原设计方案试验

原设计方案试验是根据设计院提供的设计图纸，按照模型比尺1∶70 进行模型的加工制作。

3.1 库水位～流量关系

试验首先对原设计方案的库水位～流量关系进行率定，特征水位对应流量见表1。

表1 侧堰特征水位实测流量表

由于该工程的侧堰堰型为实用堰，故按照实用堰的流量系数公式：

式中：m为堰流综合流量系数；Q为泄洪流量，m3/s；B为堰面过水宽度，本工程为40 m；H为堰上水头，m。

计算得到模型实测的校核洪水位流量系数为0.466，设计洪水位的流量系数为0.434，与类似工程对比，该系数在合理范围内。

从模型实测的校核洪水位工况看，其实测最大泄洪流量535.74 m3/s，满足设计要求的484.00 m3/s，并且超过设计要求流量的10.69%；设计洪水位工况的实测流量为230.61 m3/s，大于设计流量222.60 m3/s，超出3.60%。因此，设计侧槽溢洪道的泄流能力满足要求，并且有足够的超泄余量。

3.2 校核洪水位流态

试验对库水位为校核洪水位1546.48 m，对应模型实测泄流量为535.74 m3/s运行工况流态进行了详细的观察。从进口侧堰水流看，整体流态良好，在侧堰上、下游侧墙处，受侧墙边界影响，形成了水流绕流现象，对侧堰的过流能力有一定的影响。水流进入侧槽内，受侧槽溢流堰体型特点限制，侧槽内流量沿程增加，并形成螺旋水流流态，水流在溢流堰对面档墙平均爬高9 m～11 m，没有超过挡墙顶高程1547.50 m。其他运行工况的流量均小于该流量，水流爬高也就低于该工况，不会出现侧槽段边墙高度不足的情况，因此侧槽体型设计合理。

对调整段、渐变段以及抛物线段来说，校核洪水位运行工况，其水流流态较为理想，其中水流在控制段内从螺旋水流向平顺均匀流转变过渡没有完成，然后在渐变段继续调整流态，同时水流从12 m宽转换为10 m宽的矩形泄槽，到达渐变段末端水流基本调整到位，并进入抛物线段。总的来说，该区段水流过渡顺畅，水面没有超过设计边墙顶，设计边墙高度满足过流要求。

对台阶段来说，由于台阶上游水流掺气不充分，模型观察到从第1 个台阶到第50 个台阶的水流清亮透明，从第51 个到达第80 个台阶为过渡区，水流从透明逐渐变为乳白色，第80 个台阶向下掺气充分，全部为乳白色水流，说明自然掺气良好，并且全段水面没有超过台阶段边墙。

消力池内的消能水流没有形成完全意义上的底流消能水流流态，也就是说没有形成稳定的跃后水面，水流在消力池末端受到尾坎的制约，水流冲击尾坎，形成冲击水跃，消力池尾坎水流翻滚强烈，平均水面高度在1418.50 m左右，超过消力池侧墙顶1417.42 m约1.1 m，波浪最高点超过墙顶更高，必须对消力池进行修改优化。

海漫段水流扩散良好，海漫出口平均流速6 m/s左右，不会对下游河道产生太大的冲刷。

3.3 沿程水面线

试验对原设计方案校核洪水位和设计洪水位两工况的沿程水面线进行测验，整个沿程水面没有超过设计边墙高度，并且有一定的超高余量，说明整个设计体型基本满足泄流要求。考虑到侧槽下游的控制段、收缩段以及抛物线段的水流流态复杂，加之有可能在抛物线末端增加掺气坎，所以抛物线段应有足够的边墙超高，具体数据等掺气坎设置完成后，按照试验数据再做调整。

对设计洪水位工况，由于流量小于校核工况，整个水面线均低于校核工况。特别对消力池来说，由于流量变小，单宽流量也相应变小，此时台阶消能比校核工况充分，因此在消力池形成较为良好的底流消能流态，并且水面高度没有超过边墙高度，消力池完全满足设计洪水位工况的消能要求，其流态良好。

3.4 沿程压强分布

通过对校核洪水位和设计洪水位两工况沿程压强的测验，唯一测到的一个负压出现在设计洪水位工况，堰面下游的4#测压位置，其值为-0.06×9.8 kPa，可以认为其压强接近零，其余压强均大于此值。由于台阶流态复杂，台阶压强分布变化与测点位置关系密切，从试验测验到的压强值看，其最小压强为校核洪水位工况的第112#台阶的27#测压管，其压强值-0.28×9.8 kPa，绝对量值不大，没有超过设计规范范围，压强分布合理。

3.5 沿程流速分布

通过对两个特征运行工况的沿程流速的测验，流速沿程分布合理，没有出现异常现象。其中校核洪水位工况，堰顶测验到的最大流速6.66 m/s，堰面3#测压位置的流速约8.71 m/s，在侧槽内水流为螺旋流，测验到的横向流速3.99 m/s。随着水流的下泄，流速沿程逐渐增加，其中30#台阶处测验断面流速最大，底流速高达26.20 m/s，然后随水流下泄，流速开始变小，到120#台阶处，测验的流速为17.37 m/s，原因是随着水流的下泄，自然掺气明显，水深增加，表现为乳白色的水流流态，并且掺气后的水流为气液两相混合流，该流体对流速仪的测验也略有影响，因此流速变小。

对设计洪水位工况来说，由于其下泄流量小于校核工况，总体来说，沿程流速也相应变小，从溢洪道上游到下游河道段，其中台阶段最大流速为9#台阶的16.20 m/s，消力池底流速最大11.94 m/s，下游河道流速基本小于5 m/s，河道的模型床沙基本没有冲坑出现。

3.6 台阶消能率分析

为了更好的了解本工程台阶消能的效果，根据试验测验资料，对台阶的消能率进行相应的分析研究。一般认为，台阶面的消能形式通常是通过两种不同形式的水流形态来实现消能的，在小流量情况下，台阶面水流呈舌状跌落水流，薄层水流从上一个台阶跌落到下一个台阶，通过和台阶水平面的撞击及水流紊动而消除能量，如此重复的再向下一个台阶传下去，如此重复跌落，消除能量，该流态的台阶面消能率最高；随着流量的不断增大，从台阶顶部射出的流速逐渐增大，舌状跌落水流向滑移水流转化，在台阶面滑移流条件下，水流的能量主要通过水流在台阶面上的裂散掺气以及主流和底部漩涡之间的紊动交换实现。国内外对台阶面消能率的计算方法各有不同，计算的结果也有差异。这里采用如下方法来进行台阶消能率的计算，在台阶起点（抛物线末端）0+028.67 处选取计算起始1-1 断面作为上游计算断面。对下游断面的选取，考虑到各个工况台阶与消力池的流态衔接，因此在台阶末端（消力池上游）的第120 号台阶0+268.67 处选取计算末端断面2-2 断面来对台阶段进行台阶段消能率的计算，其中1-1 断面为抛物线末点，渠底高程1530.415 m；2-2 断面为台阶段下泄水流在消力池的潜入点上游稳定处（第120 个台阶处），台阶面高程1410.415 m，并以此断面做为计算基准面。对两个特征洪水位运行工况的台阶面消能率进行分析研究，并且定义消能率计算公式如下：

式中：E1为上游计算起始断面的总能量，E2为下游计算断面的总能量，分别为上、下游断面的底部相对高程，m；h1、h2分别为上、下游断面的平均水深，m；v1、v2分别为上下游断面的平均流速，m/s。

通过对两个不同工况对应流量的试验，按照试验实际测验的断面平均水深，计算出对应的断面平均流速，得到两个不同泄流量台阶面的消能率结果列入表2。

表2 台阶消能率计算汇总表

4 结论

通过对设计方案流量率定，沿程水面线以及压强的测验，从测验的结果及流态观察情况看，可以初步得到以下结论：①巴木墩水库溢洪道整体布置合理，进口流态基本良好；②校核洪水位工况最大泄流量535.74 m3/s，满足设计要求的484.00 m3/s，且超泄10.69%，进口体型尺寸设置合理；③设计洪水位工况模型实测流量为230.61 m3/s，略大于设计流量222.60 m3/s，差值为3.60%，说明设计计算基本正确，参数选择合理；④台阶消能率校核洪水位工况为83.26%，设计洪水位工况为89.72%，消能效果非常明显；⑤消力池在校核洪水位运行工况，没有形成底流消能水流流态，且消力池末端水面超过边墙高度，应对消力池进行必要的优化，以满足泄洪消能要求；⑥由于台阶水流流态复杂，为了避免台阶局部负压引起水流空化，试验将在台阶起点设置掺气设施，达到掺气减蚀的目的；⑦各运行工况，溢洪道下游海漫与自然河道水流衔接良好，不会对河道产生大的冲刷。