长溪水库泄洪建筑物体型优化模型试验

谢文强 周凯 王云飞

摘 要：泄洪建筑物体型结构的合理设计对保证水库大坝安全稳定运行具有重要意义。本文采用模型试验的方法，对长溪水库溢洪道结构体型方案进行了验证和优化调整。优化方案能有效改善闸孔墩后水翅和一级消力池流态，与工程具有较好的匹配性，可为工程优化设计提供科学依据。

关键词：泄洪建筑物;模型试验;溢洪道;长溪水库

中图分类号：TV651.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）04-0091-03

Abstract： The reasonable design of the body structure of the flood discharge building is of great significance to ensure the safe and stable operation of the reservoir dam. This paper used the method of model test to verify and optimize the structure of the spillway of the Changxi Reservoir. The optimized scheme can effectively improve the flow pattern of the water fin behind the gate pier and the first-stage stilling pool， which has a good match with the project， and can provide a scientific basis for the optimized design of the project.

Keywords： flood discharge structure;model testing;spillway;Changxi Reservoir

长溪水库工程位于黎平县罗里乡境内，距离贵阳市约372 km，距离黎平县城约26 km。水库位于长溪河中游河段，拟选坝址位于三岔口至S形转弯的第一个弯点处。永久建筑物混凝土面板堆石坝、溢洪道和取水兼放空建筑物按50年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核，消能防冲设施按30年一遇洪水设计。溢洪道布置在大坝右岸，为岸边设闸式溢洪道，由引渠段、控制段、泄槽段及两级消力池等组成，水平总长约为187.42 m。为了确保溢洪道具有良好的消能泄洪效果，结合水库大坝枢纽，本文采用物理模型试验对泄水建筑物体型进行了可行性分析和试验验证，为设计优化提供了科学合理的建议[1-2]。

1 模型试验设计

1.1 试验条件

本设计提供的试验条件如表1所示。表中模型水尺水位以原型下游水尺水位为基础，按水面比降11%换算得出。

1.2 模型比尺及试验范围

根据试验研究目的，采用正态水工整体模型，模型按重力相似准则设计，几何比尺选定为1∶30（[λL]=[λh]=30），相应其他比尺关系分别为：流量比尺[λQ]=[λL2.5]=4 929.50;流速比尺[λV]=[λn]=5.477;糙率比尺[λn]=[λL16]=1.763。溢洪道上游引渠及地形、下游河道地形等用水泥砂浆抹面制作。溢洪道采用有机玻璃制作，有机玻璃表面糙率约为0.008，换算到原型后的糙率为0.014，处于钢模板表面糙率（0.013～0.016）范围内。模型制作和安装精度均按《水工（常规）模型试验规程》（SL 155—2012）的要求控制[3]。

2 设计方案试验验证

2.1 中墩墩后水冠

设计方案中，闸孔中墩采用半径为1 m的半圆形尾墩，工况2（百年一遇洪水）条件下，墩后出现无水区，两侧水流在墩后1 m处交汇碰撞，于墩后12 m范围形成水冠，最大高度达4 m，并且偶尔有裂散水体溅击两侧边墙。水冠落于底板后形成一定程度的冲击波，不利于保持泄槽水流流态。而在溢洪道下泄113 m3/s（30年一遇洪水）和207 m3/s（校核洪水）流量时，水冠高度则有所降低，最大高度均约为3 m。

2.2 一级消力池流态

溢洪道下泄49 m3/s流量时，溢洪道一级陡槽泄流进入一级消力池，然后在反弧段下游18 m处形成远驱水跃，至二级溢流堰前水面仍有一定程度波动。随着溢洪道下泄流量的增大，一级消力池内流态逐渐由远驱水跃过渡为急流直接冲击尾坎（二级溢流堰）。当溢洪道下泄洪水流量超过100 m3/s时，一级消力池内即开始不能形成水跃，急流直接冲击尾坎，随后水流翻越二级溢流堰，挑射至二级泄槽内;随着流量逐渐增大至207 m3/s（校核洪水），一级消力池末端水流冲击尾坎形成的挑射水流紊亂程度加大，时而出现裂散水体由两侧边墙顶部溅出的现象，其挑射范围亦逐渐增大到二级泄槽末端[4-5]。

设计方案流态观测结果表明，闸孔中墩后形成水冠引起一级泄槽内存在一定程度的冲击波;溢洪道下泄中、大洪水时，一级消力池内流态较差，急流直接冲击尾坎，未达到预期的效能效果。因此，试验研究重点是解决上述问题，尤其是需要使得一级消力池能够在不同的水流条件下均形成稳定的水跃。

3 设计方案优化分析

3.1 中墩体型优化

针对设计方案中的墩后不利流态，本研究考虑将半圆形尾墩修改为长度为4 m的直线形隔流墩。在溢洪道下泄100～207 m3/s（校核洪水）流量洪水时，修改方案流态观测试验结果表明，墩尾水冠高度由设计方案中的3～4 m减小到1～2 m，泄槽内冲击波高度较设计方案亦有所减小。

3.2 溢洪道结构体型优化

本文从增设辅助消能工和加大二级溢流堰堰高两个方向进行了4种方案的对比试验研究，以期通过这些措施改善一级消力池内的不良流态。

3.2.1 增设辅助消能工。其主要涉及两个方面。

3.2.1.1 消力墩。由于设计方案中一级消力池内存在急流冲击尾坎的问题，首先在消力池内（反弧段下游15 m处）增设了1排消力墩，以期利用障碍物迫使水流形成水跃。流态观测试验成果表明，当溢洪道下泄100 m3/s流量洪水时，一级陡槽下泄水流直接顶冲消力墩，于墩后消力池范围内形成水翅，时而出现裂散水体越过边墙溅击两岸的现象，一级消力池内仍然无法形成稳定的水跃。随着下泄流量增大，溢洪道下泄207 m3/s（校核洪水）流量洪水时，水流对消力墩的冲击力增强，碰撞跃起的水翅远超两侧边墙墙顶高程，水翅范围延伸至二级陡槽，裂散水体溅击消力池边墙及溢洪道边坡的程度加剧。

3.2.1.2 加糙条。由上述试验成果分析可知，在一级消力池内增设消力墩后，池内仍然难以形成稳定的水跃，原因是下泄水流的入池流速过高。因此，本研究尝试在一级陡槽斜坡段上增设加糙条，期望通过人工增加陡坡的糙度来降低水流流速，进而改善一级消力池内流态。流态观测试验成果表明，当溢洪道下泄207 m3/s流量洪水时，一级陡槽下泄水流自第一排加糙条开始形成一定程度的水翅，加糙段及其下游泄槽内水流紊动程度加剧，入池水流水深略有增加，但在一级消力池范围内仍未形成水跃。当溢洪道下泄较小流量洪水时，下泄水流直接顶冲第一排加糙条，随后挑射至一级泄槽中后部，时而出现裂散水体越过边墙溅击两岸的现象。

3.2.2 二级溢流堰加高。由上述试验成果分析可知，单纯在一级消力池内增设消力墩、加糙条等一些辅助消能工后，池内流态无明显改善，还可能引起水翅溅击两岸以及辅助消能工的空化空蚀、稳定等问题。因此，尝试将二级溢流堰加高，期望通过增加池内水深来促使水跃形成。试验中共比较了堰高4 m和5 m方案（下称比较方案1和比较方案2）的流态。二级溢流堰加高体型示意图如图1所示。图中的各项高程数据的单位均为米（m）。

比较方案1流态观测试验成果表明，当溢洪道下泄100～207 m3/s流量洪水时，一级消力池内均可形成水跃，水跃起始位置随下泄流量的增加，逐渐由反弧段下移至消力池中部。其中，在中小流量工况（100～148 m3/s）下，一级消力池内均能形成稳定的水跃，水跃起始位置均位于一级泄槽反弧段及其下游附近区域，漩滚区延至二级溢流堰堰前25～15 m处，水流行至堰前时，水面渐趋稳定;但在校核洪水工况下，一级消力池内水跃尚未发展充分，其水跃漩滚区范围已达二级溢流堰堰前，过堰水流波动强烈且涌浪较高，引起二级泄槽内水面波动幅度较大。由此可见，二级溢流堰堰高加大至4 m，仍然不能在各级流量工况下形成稳定的水跃。因此，为了进一步改善大流量工况下一级消力池内的流态，笔者开展了比较方案2的相关试验研究。

比较方案2流态观测试验成果表明，二级溢流堰堰高加大至5 m后，当溢洪道下泄校核流量洪水时，一级消力池内已可形成稳定的水跃，水跃起始位置位于反弧段中部，漩滚区延至二级溢流堰堰前约8 m处，水流行至堰前时，水面波动已明显减弱;池内水深随着二级溢流堰的进一步加高而加大，消力池中后部偶尔出现涌浪越过两侧边墙顶部的现象。

3.3 体型优化试验成果分析

在一级消力池內增设消力墩、加糙条等一些辅助消能工，不仅未能明显改善池内流态，还有可能引起水翅溅击两岸以及辅助消能工的空化空蚀、稳定等问题。相比于增设辅助消能工的方式，通过加大二级溢流堰堰高的方式来促使水跃形成显得更为有效。

二级溢流堰堰高4 m方案（比较方案1）中，在中小流量工况下，一级消力池内均能形成稳定的水跃，但在校核洪水工况下，一级消力池内水跃尚未发展充分，其水跃漩滚区范围已达二级溢流堰堰前，过堰水流波动强烈且涌浪较高。

二级溢流堰堰高5 m方案（比较方案1）中，在各级流量工况下，一级消力池内均可形成稳定的水跃，仅在校核洪水工况下存在涌浪越过两侧边墙的现象。鉴于此，笔者推荐设计采用二级溢流堰堰高5 m的方案，并建议将一级消力池两侧边墙进行适当加高。

3.4 泄洪建筑物体型推荐方案

根据以上试验成果，二级溢流堰堰高5 m方案可满足在不同的来流条件下一级消力池内均可形成稳定水跃的设计要求，推荐设计采用，并根据水面线情况将两侧边墙高程适当加至582 m，如图2所示。

4 结语

长溪水库工程推荐方案中，泄洪消能建筑物布置形式基本可行，各运行工况下闸孔墩后水翅和一级消力池流态均较原设计方案有明显改善，但在下泄流量较大时，二级消力池中后部偶尔出现涌浪越过两侧边墙顶部的现象，建议适当加大二级消力池边墙高程。

参考文献：

[1]张霄.基于模型试验的猴山水库溢洪道优化设计[J].东北水利水电，2020（9）：6-7.

[2]向勇，杨志勇.江家口水库泄水建筑物设计[J].四川水利，2020（3）：40-43.

[3]于凯，孙宇，冯云龙.西藏湘河水利枢纽泄水建筑物泄流能力模型试验研究[J].水利科技与经济，2020（12）：19-23.

[4]向勇，杨志勇.江家口水库泄水建筑物设计[J].四川水利，2020（3）：40-43.

[5]戴伟.安徽省牛岭水库泄水建筑物优化设计[J].江淮水利科技，2020（1）：5-6.