龙英水库溢流坝导墙收缩角对泄流水力特性影响试验研究

肖天培，张小飞，黄佳敏，覃 培

（广西大学土木建筑工程学院，南宁 530000）

0 引言

龙英水库位于广西西林县龙英河上，是一座以供水为主，兼顾下游农村人饮水及改善下游灌溉的山区水库，主要建筑物有河床溢流坝及左右岸挡水重力坝，坝顶全长151.5 m，最大坝高53.16 m。溢流坝全长46 m，共布置4孔，每孔净宽10 m，为开敞式溢流堰，堰顶高程870 m，下游堰面曲线采用WES曲线，直线段坡比为1∶0.7。大坝消能方式采用挑流消能，采用连续式鼻坎，鼻坎顶高程为837 m，反弧半径为10 m，挑射角取30°。由于下游河道宽仅25 m左右，为避免水流冲刷岸坡，溢流坝两侧导墙要向内收缩，初步设计将溢流坝两侧导墙各向内收缩25.9°，并在反弧段设置长为10 m 的调直段，调直段与鼻坎连接，鼻坎前沿宽度20 m。龙英水库溢流坝导墙收缩角远大于常见范围。

由于泄洪时溢流坝坝面流速较高，导墙收缩会引起下泄水流产生冲击波，冲击波会造成过水断面水流流量分布不均匀，增加导墙的高度，恶化流态，产生空化、雾化[1]，影响下游消能防冲，甚至会造成建筑物的破坏。对边墙收缩产生的急流冲击波，国内外的许多学者进行了大量的理论研究和模型试验，取得了较丰富的成果，黄智敏等[2]、刘亚坤等[3,4]研究了急流冲击波下的水深，但未说明其流态；黄细彬[5，6]研究了小偏转角下考虑底面坡度影响时沿程急流佛汝德数及水深的计算方法；田嘉宁等[7]研究了中等半径大偏转角弯道的水流特性；胡甫圣等[8]进行溢洪道急流收缩段优化模型试验研究，提出消除急流收缩段冲击波的优化方案。但目前尚未见到收缩角大于20°的急流收缩段的研究成果；基于此，本文通过水工模型试验，研究龙英水库溢流坝导墙收缩角对溢流坝水流水力特性及挑流消能的影响，为龙英水库溢流坝导墙收缩角的优化及同类工程设计提供依据。

1 模型设计与试验方案

1.1 模型设计

龙英水库水工模型试验按重力相似准则进行设计，采用正态整体水工模型，模型几何比尺采用Lr=80，其它水力要素比尺按《水工（常规）模型试验规程》（SL155-2012）重力相似准则的要求确定，具体如下：

流量比尺：Qr=Lr5/2=57 243.34

流速比尺：Vr=Lr1/2=8.9 443

时间比尺：Tr=Lr1/2=8.9 443

糙率比尺：nr=Lr1/6=2.0 758

为了测量不同断面的水深变化，沿堰面从堰顶依次布置堰顶、直线段中点、直线段与反弧段交点、挑坎最低点、挑坎末端5个测点量测水深，测点布置如图1。

测量主要仪器设备：流速量测采用LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪，脉动压力量测采用DJ800 多功能监测系统，时均动水压力量测采用连通测压管。

图1 水深测点布置图

1.2 试验方案

为了对比分析导墙收缩角对泄流流态的影响，导墙收缩角拟定了5°、7°、10°、15°、20°和25°六个试验方案。对不同导墙收缩角方案分别测试了包括校核洪水（Q=837 m3/s）、设计洪水（Q=574 m3/s）和消能防冲设计洪水（Q=464 m3/s）在内的9 个流量（见表1）。

2 试验观测与分析

龙英水库试验研究，对不同导墙收缩角方案分别观测了包括校核洪水、设计洪水和消能防冲设计洪水在内的9个流量下堰面水流流态、流速、时均动水压力、堰面水深和挑距，限于篇幅，本文只对下泄校核洪水、设计洪水和消能防冲设计洪水时的堰面水流流态、流速、水深和挑距进行分析。

2.1 导墙收缩角对水流流态的影响

导墙收缩角分别为5°、7°、10°、15°、20°、25°，敞泄校核洪水、设计洪水、消能防冲设计洪水时，过坝水流在堰顶处流速在5.5～7.5 m/s之间，挑坎反弧段的流速在16.5～20.5 m/s 之间。由于溢流坝下游堰面水流流速大，相应的弗劳德数Fr 较大，导墙收缩产生的冲击波的传播速度远小于水流流速，冲击波的波角小，冲击波只沿导墙边向下游传播，对非紧邻导墙的水流流态影响不大。当导墙收缩角为5°、7°、10°，敞泄校核洪水、设计洪水、消能防冲设计时，挑坎处水流没有出现交叉碰撞，挑流水舌稳定；导墙收缩角为15°时，由收缩导墙产生的左右两股水流在挑坎下游出现交叉碰撞，但挑流水舌基本稳定；导墙收缩角为20°和25°时收缩导墙引起的左右两股水流在挑坎处出现较强烈的交叉碰撞，碰撞后的挑流水舌不稳定，形成向上、左右摆动的水流，左右摆动的水流会拍打和冲刷下游两岸。下泄设计洪水收缩角为10°、15°、25°时的流态分别见图2～图4。

表1 模型试验测试流量

图2 导墙收缩角为10°时的流态

图3 导墙收缩角为15°时的流态

图4 导墙收缩角为25°时的流态

2.2 导墙收缩角对导墙处水深的影响

导墙收缩角分别为5°、7°、10°、15°、20°、25°，敞泄校核洪水、设计洪水和消能防冲设计洪水时，溢流坝面沿程水深试验结果分别见表2～表7。由于导墙收缩产生的冲击波只沿导墙边向下游传播，对溢流坝泄流和非紧邻导墙处的水流水深影响不大；导墙处水流受导墙阻挡产生水跃，跃起的水流沿导墙边壁向下游流动，由于受导墙阻挡产生跃起的水流不断加入，沿导墙边壁向下游流动的水流不断增加，水深也增加，水深在收缩段出口处附近达到最大。在同一流量下，同一断面左右导墙内侧的水深与溢流坝中线处水深的差值随导墙收缩角的增大而增加，收缩角为5°和7°时中线处水深与左右导墙内侧处的水深相差较小，收缩角大于10°时水深差出现明显增加，说明收缩角小于7°时，导墙收缩产生的冲击波相对较弱，冲击波在紧邻导墙处产生的水面壅高较小，而收缩角大于10°时，导墙收缩产生的冲击波相对较强，冲击波在紧邻导墙处产生的水面壅高较大。

表2 导墙收缩角为5°时溢流坝面沿程水深试验结果

表3 导墙收缩角为7°时溢流坝面沿程水深试验结果

表4 导墙收缩角为10°时溢流坝面沿程水深试验结果

表5 导墙收缩角为15°时溢流坝面沿程水深试验结果

表6 导墙收缩角为20°时溢流坝面沿程水深试验结果

表7 导墙收缩角为25°时溢流坝面沿程水深试验结果

表8 不同收缩角时溢流坝挑流挑距试验结果

2.3 导墙收缩角对挑流挑距的影响

试验量测了龙英水库溢流坝导墙收缩角分别为5°、7°、10°、20°、25°，敞泄校核洪水、设计洪水、消能防冲设计洪水时的挑流挑距，量测结果见表8。

从表8 可以看出，龙英水库溢流坝导墙收缩角大小对溢流坝挑流挑距的影响不大，下泄相同流量时，收缩角分别为5°、7°、10°时的挑距试验结果很接近，收缩角为20°、25°时的挑距试验结果比5°、7°、10°时的结果略有减小，相差不大，最大差值为下泄消能防冲设计时的2.4 m。

3 结论

本文通过水工模型试验，研究龙英水库溢流坝不同收缩角的导墙对大坝泄流水力特性以及挑流消能的影响，得出如下结论：

（1）导墙收缩角大于20°时，需要采用工程措施改善挑坎处流态，改善挑流水舌的形态和稳定性，减小雾化，减轻水流对下游的冲刷。

（2）在同一流量下，同一断面左右导墙内侧的水深与溢流坝中线处水深的差值随导墙收缩角的增大而增加，收缩角为5°和7°时中线处水深与左右导墙内侧处的水深相差较小，收缩角大于10°时水深差出现明显增加。说明收缩角小于7°时，导墙收缩产生的冲击波相对较弱，冲击波在紧邻导墙处产生的水面壅高较小，而收缩角大于10°时，导墙收缩产生的冲击波相对较强，冲击波在导墙内侧产生的水面壅高较大。

（3）溢流坝导墙收缩角大小对溢流坝挑流挑距的影响不大。