玉阳湖溢洪道体型及泄流能力试验研究

李松平，贾文博，赵玉良，赵雪萍，蔡 毅

(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；3.河南省水利工程安全技术重点实验室，河南 郑州 450003)

溢洪道是水库枢纽工程的重要组成部分，是保证水库大坝安全的重要设施，是宣泄洪水的主要途径。溢洪道体型布置合理与否不仅影响着水库的泄流能力，也关系着工程投资，因此开展相关研究是非常必要和有益的。国内很多学者结合工程实例，对溢洪道的布置和过流能力做了深入研究，为工程的合理布置提供了科学依据。袁群等[1]结合河南省鸭河口水库除险加固工程，对溢洪道泄流能力进行了研究，为工程设计提供了参考依据，并进一步探讨了WES型复合堰划分标准，给出了设计水位流量系数的拟合公式，为进一步研究奠定了基础。周苏芬等[2]基于模型试验对某水库溢洪道除险加固工程台阶式溢洪道方案进行了研究,对溢洪道闸室出口泄槽连接段、泄槽掺气设施及消力池消力墩进行不同方案优化布置,优化后泄槽内水翅现象消除,水流流态得到改善,总消能率有所提高。胡良民等[3]采用物理模型试验方法对某山区溢洪道进行了优化设计，并对水流流态及消能率等方面进行了试验研究。本文结合济源市三湖治理工程新建玉阳湖工程，采用1∶40的水工模型试验，对玉阳湖溢洪道泄流能力、水流流态、压力分布、消能冲刷等复杂水力特性进行了研究，通过优化体型解决了溢洪道泄流能力不足、消力池消能效果不好，闸墩和下游翼墙高度不够的问题，为玉阳湖的安全运行提供了技术保障。

1 工程布置

玉阳湖位于黄河流域蟒河支流湨河上，河南省济源市西约4 km，控制流域面积152.5 km2，总库容664万m3，是一座以改善城市水环境为主，兼顾城市应急供水及防洪等综合利用的小(1)型水利枢纽工程。水库正常蓄水位172.00 m；30年一遇水位171.00 m；50年一遇设计水位171.19 m；500年一遇校核水位173.38 m。水库布设有5孔溢洪道，最大泄流量2 633.0 m3/s。溢洪道由进口段、闸室段、消力池段、渐变段和海漫段组成。进口段为圆弧形半重力式挡土墙，闸室段长27 m，过流宽度50 m，闸底板高程161.00 m，曲线型实用堰，堰顶高程165.00 m，堰后降至159.50 m；消力池段总长度50 m，布置有两级消力池，均设有消力坎，一级消力池长度30 m，宽度由62 m渐变到74 m，坎高3.0 m；二级消力池长20 m，宽74 m，坎高1.7 m；渐变段长40 m，由矩形断面变为梯形断面，底宽不变。海漫段长60 m，为梯形断面，末端设防冲槽，防冲槽深1.5 m，顶宽10.5 m，底宽3 m。溢洪道剖面见图1。

图1 溢洪道纵剖面(m)

2 研究方案和模型制作

2.1 试验内容

为验证溢洪道泄流能力、进出口体型、消能防冲等布置合理性，通过建立正态水工模型，对溢洪道过流能力，闸墩及上下游翼墙高度合理性，流态、流速分布及堰面压力，消力池型式、长度、深度的合理布置及消能效果进行系统研究，为工程运行管理提供科学依据。

2.2 模型范围和比尺选择

模型按重力相似准则设计[4-7]，充分考虑缩尺效应的影响，综合考虑后选定比尺为1∶40的整体正态模型，并由此确定流速、流量、时间、糙率、冲刷等其他比尺。模型长度范围上游自Y0-345 m断面延伸至库区，下游截取至Y0+237 m断面。模型宽度范围根据地形和校核洪水位选取，以保证宽度范围不影响溢洪道上下游流态。为使模型能准确反映原型的水流状况，进一步提高试验精度，在模型上游库区增设多道花墙，用来平稳水流。加上Y0-345断面开始的河道天然调整能力，该模型范围满足试验段流场与原型流场的相似[4]。

2.3 模型制作

模型制作时严格控制精度。原型河道糙率在0.035～0.038，按照相似准则，模型糙率为0.019～0.021，水泥粗砂浆粉面拉毛可以满足阻力相似。溢洪道进口引水渠及出口翼墙、消力池为混凝土建筑物，模型制作时用水泥砂浆抹制并做成净水泥表面。原型闸室采用混凝土衬砌，糙率值为0.014[5]，要求模型糙率为0.007 6，有机玻璃的糙率为0.007 5～0.008 5[7]，采用有机玻璃制作溢洪道闸室能满足阻力相似。

3 原设计试验结果

3.1 泄流能力

在定床的基础上对玉阳湖水库溢洪道水位流量关系进行了系统研究[5]，特别是对30年一遇、50年一遇和500年一遇3种特征工况进行重点测量观察。从试验结果来看，原设计泄流能力不足，见表1。

表1 泄流能力

3.2 流态、流速

原体型各工况下，溢洪道进口水流平稳。过闸室后在一级消力池形成淹没水跃，30年、50年一遇跃首前后移动不大，500年一遇时，跃首上下移动范围2 m左右，水流在一级消力池两侧附近形成回流，50年一遇洪水时，回流区右岸流速-1.27～-1.74 m/s，左岸流速-2.13～-2.55 m/s，500年一遇洪水时，回流流速-1.7～-2.4 m/s，回流沿侧墙回溯而上，水花周期性地冲上边墙顶，边墙高度不够，见图2。水流出一级消力池后在二级池内形成水跃，30年、50年一遇水跃稳定，偶尔有水流上窜墙顶的现象。500年一遇二级消力池跃首呈扇形分布，轴线附近的跃首已超出消力坎，过消力坎后形成了跌水，一二级消力池两侧墙顶上水明显，侧墙高度明显不足，见图3。

30年一遇洪水溢洪道下游Y0+177断面到Y0+190断面两岸均有一大的回流区，宽度约3 m，回流流速在-0.73～-1.67 m/s之间。50年一遇洪水时，溢洪道下游Y0+177至Y0+193断面附近的回流区增大，回流最大宽度约5.2 m，回流流速-0.82～-1.73 m/s。500年一遇洪水时，溢洪道下游Y0+180至Y0+205断面两岸回流区范围继续增大，回流宽度约5 m，回流流速在-2.0～-2.6 m/s之间。下游边墙高度只有Y0+087至Y0+117断面之间尚能满足要求，其余均不能满足要求。水流过防冲槽后壅高明显，波动也随之加大，溢洪道左右两岸翼墙上水明显。

3.3 压力分布及消能

压力采用测压管量测时均动水压力。溢洪道全程无负压出现，最小压力和最大压力均出现在校核洪水位时，最小压为0.23 m水柱，位于曲线段顶部Y0+016.14断面附近；最大压力11.89 m水柱，位于引水渠。压力分布良好。30年一遇洪水时，经过两级消力池消能后，防冲槽前流速为6.26 m/s，超出了下游浆砌石的抗冲流速范围[8-9]，消力池消能效果较差。

4 体型优化研究

分析原试验结果可知，原设计方案存在泄流能力不足、溢洪道下游翼墙高度不够、消力池消能效果不好等问题。针对以上问题，对原设计方案进行了优化。优化设计方案保持溢洪道进出口体型不变。在原体型基础上，将进口底板高程和堰面曲线高程统一降低0.6 m，见图4。将消力池改为一级消力池，消力池的长度为40 m，宽度由62 m渐变至74 m，消力池底部高程为156.90 m，消力坎顶部高程为159.80 m，见图5；渐变段长40 m，由矩形断面变为梯形断面，底宽保持不变。海漫段长度为60 m，断面型式为梯形，末端设防冲槽，防冲槽深2.5 m，顶宽10.5 m，底宽3 m。

4.1 泄流能力

优化体型30年一遇工况时，闸门为控泄运行，此时溢洪道的泄量刚好与设计值相等，溢洪道的泄流能力满足设计要求；50年一遇工况时，实际泄流量为1 697.5 m3/s，比设计泄流量大12.5 m3/s；500年一遇工况下，实际泄流量为2 679.4 m3/s，比规划泄量大46.4 m3/s。优化方案泄流能力满足设计要求，见表1。

4.2 修改型流态、流速

30年一遇洪水时，溢洪道进口段水流平稳，水流过闸室后在消力池内形成水跃，跃首前后移动较大，水跃剧烈翻滚，掺入大量气体，水体呈现出乳白色，跃后水面很平稳地越过消力坎流向下游，过消力坎后形成波状水跃，跃后水面壅高明显，随后平稳地向下游推移，见图6。水流扩散后碰撞消力池侧墙，在消力池两侧墙附近形成回流，回流沿侧墙逆流而上，与下泄水流相汇后形成水花，水花偶尔窜上边墙顶部，但与原体型相比，水量大为减小。溢洪道下游段边墙高度不足，建议加高。50年一遇洪水流速流态与30年一遇洪水时极其相似。

当施放500年一遇洪水时，进口水流整体平稳。翼墙外水位为173.76 m，考虑到安全超高，墙顶高程已明显不足。消力池水跃流态与30年、50年一遇洪水极为相似，水跃旋滚更加剧烈，水体乳化更为明显，见图7。消力池两侧墙处回流依然存在，水花周期性窜上墙顶，但与原体型相比，水量减少很多。水流过消力坎后，形成二次水跃，跃首呈扇形分布，跃后水面壅高明显，侧墙高度明显不足。

图7 优化体型500年一遇边墙上水明显

4.3 压力分析

优化体型30年、50年一遇洪水溢洪道全程为正压；500年一遇洪水，除了溢洪道Y0+016.14断面附近出现负压外(负压值为-0.92 m水柱)，其余断面均为正压，压力分布较为良好。根据模型实测数据，对溢流坝反弧段及其附近气穴指数进行计算：

(1)

式中ha——大气压强高度，计算时采用10.33 m水柱高；hv——与水温相对应的水的饱和蒸汽压强；h——某种边界形状上游的压强水头；v——断面平均流速。

由此计算出的溢流坝反弧段和负压处的气穴指数分别是1.414和1.102，查水利计算手册可知不平整度小于10，发生气蚀的可能性较小。安全起见，仍建议施工时严格控制平整度[10]，以防气蚀带来的破坏，压力分布见图8。

图8 修改体型溢洪道特征水位测压管水头线示意(m)

4.4 消力池消能分析

优化体型将消力池段由二级改为一级。为分析消力池消能情况，对水跃的消能率进行计算：

(2)

式中Kj——水跃消能率；ΔHj——水跃段的消能量；H1、H2——跃前与跃后断面的总水头。

经分析证明，水跃消能率乃是佛汝德数Fr1的函数。Fr1越大，效能率越高。计算可知，30年、50年、500年一遇Fr1分别为2.5、3.2、3.2，Fr1介于2.5～4.5之间，水跃不稳定，Kj小于44%。从试验实测的流速来看，30年一遇洪水时消力池前最大流速为13.40 m/s，过消力池后，最大流速降到6.76 m/s，流速衰减50%，其他工况下流速衰减幅度在46%～57%，流速大幅减小，消力池起到了明显的消能效果。防冲槽前的最大流速为2.96 m/s，低于下游浆砌石抗冲流速。综合分析，消力池设置基本合理。

5 结语

溢洪道堰面及底板高程降低后，溢洪道各工况下泄流能力均满足了设计要求，保证了工程安全。消力池由二级消力池改为一级消力池后，各级流量下消力池的流态、消能效果均较好，采用浆砌石防护能够满足要求，大大地节约了工程成本。结合试验结果，建议对消力池和下游溢洪道翼墙进行加高，防止水流翻越翼墙后对翼墙底部基础的淘蚀。由于水力学基于经验总结，只凭经验公式的计算并不能完全解决水力学问题。玉阳湖溢洪道合理性布置，就是通过模型试验的反复验证修改完成的，因此把模型试验和设计紧密结合在一起是非常必要的。