鱼枧水库溢洪道物理模型试验研究

许 晖，肖鑫明

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

1 工程概况

1.1 工程简介

鱼枧水库工程为Ⅲ等中型工程，水库是一座满足水江工业园区供水、农业灌溉及农村人畜饮水等综合利用的中型水利工程。坝址控制集雨面积为34.3 km2，水库正常蓄水位为711.00 m，设计洪水位为711.00 m，校核洪水位为711.62 m，水库总库容1 295 万m3，坝顶高程712.20 m，防浪墙顶高程713.40 m，最大坝高为62.7 m。

1.2 工程水文

鱼枧水库坝址不同频率的洪水洪峰流量见表1。

表1 各级洪水洪峰流量

设计洪水标准为50 年一遇，校核洪水标准为1 000 年一遇。水库特征水位与流量成果分列于表2。

表2 水库特征水位及流量成果表

1.3 工程方案设计

工程方案采用梯坎与底流消能组合的消能形式，立面设计方案如图1 所示。溢洪道由进水渠、控制段、泄槽、消力池、护坦组成，进水渠轴线长94 m（其中直段长16 m，转弯段长78 m），转弯半径80 m。渠底高程700.00 m，进水渠前沿底宽64 m，堰前进水渠底宽15.5 m，边墙顶高程713.40 m。控制堰段长20 m，堰顶高704.00 m，设2 孔6.5 m×7.0 m（宽×高）扇弧形工作门。溢流净宽13 m，溢流堰采用4 m 高WES 曲线型低实用堰。交通桥位于闸墩下游，桥面宽7.0 m，桥面高程713.40 m 与防浪墙顶高程相同。泄槽段总长134.63 m，全段底宽15.5 m。泄槽段纵坡为1∶20、1∶2.2，纵坡变化处直接相连，并从连接处开始设置坡比为1∶2.2 的台阶。消力池总长32.5 m，底宽15.5 m，池深2.4 m，池底板高程646.50 m，下游河床高程648.90 m，消力池边墙顶高程653.80 m，下游河道30 年一遇消能防冲工况下洪水位高程651.00 m。

图1 溢洪道纵剖面图

2 模型试验

2.1 模型实验内容

①量测各种频率洪水下，溢洪道水面线、水流流速及流态；②量测各种频率洪水下，下游河道、岸坡水流流速、流态、冲刷形态；③针对溢洪道不合理部位体型，提出合理化建议，并优化模型；④调节溢洪道闸门开度及闸门开启方式，提出溢洪道运行调度过程。

2.2 模型试验工况

根据试验内容要求拟定试验工况（表3）。

表3 试验工况表

2.3 模型制作

模型依据重力相似准则设计（引用规范《水工（常规）模型试验规程SL 155-95》），几何比尺1∶50。地形模拟范围为坝轴线上游450 m 至坝轴线下游1 000 m，根据1∶500 地形图，用断面板法和等高线法控制，水泥沙浆抹面制成。溢洪道采用有机玻璃制作。在下游河道溢0+175.000 m～溢0+350.000 m 范围内铺设动床，动床铺砂高程650.00 m。试验任务书中提供的抗冲流速为3～5 m/s，试验选用过筛平均粒径为9 mm 的卵石模拟动床。模型上游水位测点布置在坝轴线上游约280 m 的位置，下游河道水位测点布置在坝下950 m 处，采用固定测针施测。溢洪道边墙水面线用钢尺测读，下游河道水面线及冲坑采用活动测针施测，流速用旋浆式光纤智能流速仪测读。

3 设计方案优化

3.1 对进口导墙的优化

原设计方案进口导墙结构如图2 所示。观察试验中原设计方案P=3.33%和P=0.1%时进口流态: 溢洪道引水渠内水流平顺，流态良好。右导墙首部存在局部绕流，强度较弱，未恶化渠内流态。优化方案对右导墙首部进行了流线型处理，且为了节省工程量对导墙的尺寸也进行了缩减。将右导墙的直线段由原来的16 m 优化为10 m，并与半径为15 m，圆心角为40°的圆弧段相连接，墩头采用半径为0.5 m 的半圆。优化方案进口右侧导墙结构布置见图3。观察P=3.33%和P=0.1%时的进口流态:进口流态平稳，在右导墙处有轻微的扰流，且扰流未恶化溢洪道流态。右导墙迎水面和背水面的水面差值最大为P=0.1%的1.0 m。

图2 原进口导墙结构

图3 优化后进口导墙结构

3.2 对控制段与泄槽曲线连接段的优化

原设计方案控制段与泄槽段采用抛物线相衔接，考虑到从控制段下泄时的水流流速相对较大，经过曲线连接段时容易出现水流脱空现象，因此将曲线连接段修改为转弯更为平缓的圆弧段，圆弧的半径为80 m，转角为25.420°。

3.3 对消力池的优化

原设计方案的消力池池长56.5 m，池深2.5 m。图4为原设计方案P=3.33%时的消力池流态图，可见水流自溢洪道下泄后直接冲击消力池尾坎。

图4 消力池流态图

通过采用取消消力池尾坎运用边墙扩散将水流挑起等方式后的优化方案即采用将桩号为溢0+158.192 m 处的底板和桩号为溢0+211.850 m 处的尾坎以斜坡的方式相衔接。P=3.33%时的消力池流态见图5。因此可以将优化后的方案作为推荐方案。

图5 优化方案三消力池流态图

4 优化设计方案试验结果与分析

4.1 泄流能力

溢洪道全开Q=22.168H1.623，γ=0.999

溢洪道局开e=1 m（76 m3/s≤Q≤130 m3/s）：

Q=35.595H0.6231，γ=0.999

溢洪道局开e=2 m（140 m3/s≤Q≤224 m3/s）：

Q=59.16H0.6484，γ=0.9993

Q=68.509H0.7613，γ=0.9992

溢洪道局开e=4 m（336 m3/s≤Q≤399 m3/s）：

Q=99.103H0.6705，γ=0.9991

溢洪道局开e=5 m（455 m3/s≤Q≤492 m3/s）：

Q=178.19H0.4678，γ=0.9993

上式中：

Q——溢洪道下泄流量（m3/s）；

材料：桑叶采自甘肃省陇南徽县泥阳，均为5月份的新叶，要求直径在5cm左右的新鲜嫩叶；杜仲粉及甘草购自甘肃成县旭东大药房；碳酸氢钠(食品级)、柠檬酸(食品级)、聚乙二醇(食品级)、木糖醇，济南晟旺化工有限公司。

e——弧门开启高度（弧门底缘高程-堰顶高程704.00）（m）；

H——堰上水头，H=Z 上游水位-704.00（m）；

γ——曲线拟合相关系数。

上游水位与泄流能力关系曲线见图6。

泄量试验表明：下泄P=0.1%洪水时，在坝前最高水位711.62 m 条件下，溢洪试验泄流能力为598.60 m3/s，比设计值大10.6%，泄流能力有较大的富余。

4.2 溢洪道进口的水力学特性

当闸门局部开启时，进水渠流态平稳。特别是当P=10%时，溢洪道进口右侧导墙未见有明显的扰流，随着下泄流量的增加右侧导墙开始有扰流出现。当P=2%时，右侧溢洪道闸门上方有游离的间歇性漩涡出现，漩涡直径1 m 左右。当P=0.1%闸门全开时，溢洪道右侧有明显的扰流，但强度相对较弱且未恶化溢洪道流态。

4.3 溢洪道泄槽的水力学特性

4.3.1 流态和水面线

当闸门局部开启运行时，溢洪道进口右侧有较轻微的扰流，水流流经中墩墩尾时，在墩尾形成了明显的水翅。由于水翅以及扰流的影响，溢洪道泄槽内出现了菱形波，使得溢洪道桩号溢0+064.000 m～溢0+100.000 m范围内的水面有所波动。特别是在P=0.1%工况之下，由于右侧导墙的扰流相对较大，且由于溢洪道反弧段的影响，导致溢洪道桩号0+064.000 m～溢0+100.000 m范围内水面波动较大，在桩号溢0+064.000 m 处右侧边墙水面线实测值为692.96 m，超过了设计边墙高度692.77 m，设计时要引起注意。

4.3.2 流 速

溢洪道流速沿程增大，且随着上游来水流量的增大而增大。实测到的溢洪道最大流速为P=0.1%时、桩号溢0+145.000 m 处的30 m/s，在溢洪道出口处实测到的最大流速为17.72 m/s。

4.3.3 压 强

在溢流堰堰面处两测点在P=10%、P=3.33%和P=2%工况之下出现了负压，最大负压值为-6.52 kPa。在溢洪道弧线段即测点P12～P18，压强均为正压，表示水流能够贴着曲线段下泄，没有出现脱空现象。在泄槽段压强也均为正压，在溢洪道底板和尾坎衔接斜坡后测点，由于向心力的作用压强升高，最大压强为P=0.1%时的55.76 kPa。总体而言，溢洪道压强分布正常。

4.4 下游河道的水力学特性

4.4.1 流态和流速

流经溢洪道的水流经溢洪道末端的反坡挑入至下游河道，且随着下泄流量的增大，挑射距离也越大。当P=10%时挑射距离约为28 m；P=3.33%时挑射距离约为33.5 m；P=0.1%时挑射距离约为48 m。

由于溢洪道中心线偏向左岸，从溢洪道下泄的水流主流偏向左岸，当P=10%和P=3.33%时，水流未直接冲击河道左岸岸坡，当P=0.1%时水流冲击导流洞出口处的岸坡。由于水流偏向左岸，左岸岸坡的流速较右岸岸坡的要大，且在水舌落点处的左右岸均形成了回流区，右岸的回流区范围较左岸大。左岸岸坡桩号溢0+200.000 m～溢0+450.000 m 范围内水流的流速超过了岸坡的抗冲流速3～5 m/s，需要对此段进行适当的防护。

4.4.2 冲 刷

在各个工况之下，冲坑最深点基本位于河道中心线附近，P=10%时，冲坑最深为8.18 m，P=3.33%时冲坑最深为为8.64 m，P=2%时冲坑最深为9.17 m，P=0.1%时冲坑最深为12.05 m。冲坑最深点离消力池尾部基础最小的距离为P=2%时的26.48 m，冲坑的后坡比均小于1∶3.0，因此可以保持稳定。冲坑的位置位于河道中心线上，由于水舌落点处的左右岸两侧较为开阔，河道的两侧均形成了大的回流区，回流区的流速较小，未对河道岸坡产生较大的冲刷。当P=3.33%时左岸岸坡的最大下切深度为1.76 m，右岸为1.13 m；当P=0.1%时左岸岸坡的最大下切深度为4.37 m，右岸为3.53 m。见表4。

表4 下游河道冲坑深点位置

综合下游河道流态以及冲刷情况看，为了确保两岸边坡的稳定，应对左岸岸坡桩号溢0+200.000 m～溢0+450.000m 范围进行适当的防护。值得注意的是由于模型试验的边界条件与实际情况有出入，该指标仅供参考。

综合分析，泄量试验表明：

1）下泄P=0.1%洪水时，在坝前最高水位711.62 m 条件下，溢洪试验泄流能力为598.60 m3/s，比设计值大10.6%。泄流能力有较大富余。

2）当P=0.1%闸门全开时，溢洪道右侧有明显的扰流但强度相对较弱且未恶化溢洪道流态。在桩号溢0+064.000 m 处右侧边墙水面线实测值为692.96 m，超过了设计边墙高度692.77 m，设计时要引起注意。

3）从溢洪道下泄的水流主流偏向左岸，当P=10%和P=3.33%时，水流未直接冲击河道左岸岸坡，当P=0.1%时水流冲击导流洞出口处的岸坡。左岸岸坡的流速较右岸岸坡的要大，P=3.33%时实测到左岸的最大流速为5.12 m/s，右岸的最大流速为0.61 m/s。左岸坡桩号溢0+200.000 m～溢0+450.000 m 范围内水流的流速超过了岸坡的抗冲流速3～5 m/s，需要对此段进行适当的防护。

4）各个工况之下，冲坑最深点基本位于河道中心线附近，P=3.33%时冲坑最深为8.64 m，P=0.1%时冲坑最深为12.05 m。各个工况冲坑的后坡比均小于1∶3.0，因此可以保持稳定。

5 结 语

通过水工模型试验进行方案优化及试验成果分析，认为该溢洪道泄洪能力、抗水流冲刷能力及变形稳定性都能够满足工程要求，依据试验成果对设计进行优化，充分发挥了限额设计的优点，为类似工程的溢洪道设计提供了参考和借鉴。