岔河水库溢洪道工程消力池水力设计研究

董 荣

(临沧市水利水电勘测设计研究院，云南 临沧 677000)

在水工建筑物设计中，如何合理有效设计消力池设施，在下泄过程中有效消耗水流能量是设计的重点与难点[1]，就要进行必要的防冲消能设施研究[2]。岔河水库是中型水库，其溢洪道水力条件较复杂，控制堰顶与消力池底板高差就有92.5m，消能防冲单宽流量为8.0m3/s，一般只是采用经验公式对消力池进行水力计算，为防止采用经验公式计算成果与实际不符，不能够将下泄水流的动能大部分消除和出现漫顶情况，最终冲毁溢洪道和其它建筑物，造成不必要的损失，故提出通过多途径对消力池水力设计成果进行相互论证和复核，确保工程安全运行。

1 基本情况

1.1 岔河水库基本情况

岔河水库位于云南省云县浪坝山村，距云县县城72km。水库径流区属澜沧江流域右岸一级支流拿鱼河上游，水库控制径流面积145km2，多年平均径流量11668万m3，P=75%时设计年径流量9587万m3。水库可以解决岔河水库下游涌宝、栗树和后箐3个乡镇所辖区域的12.9万亩耕地灌溉要求，还可以解决灌区农村4.68万人和5.59万头牲畜饮水问题。水库校核洪水位(P=0.1%)为1823.22m，设计洪水位(P=2%)为1821.40m，消能防冲水位(P=3.33%)为1821.22m，正常蓄水位1820.41m，总库容4906.2万m3。

1.2 溢洪道工程结构布置

溢洪道位于拦河坝右坝肩，为正槽开敞式溢洪道，由进口段、控制堰段、泄槽Ⅰ、Ⅱ段、消能段、护坦段组成，全长476.71m。校核洪水对应下泄流量为160m3/s，设计洪水对应下泄流量为76.4m3/s，消能防冲洪水对应下泄流量为63.8m3/s。进口底板高程1815.41m，采用设闸WES曲线实用堰，堰顶高程1817.41m，控制堰净宽6m，堰上设6m×3.5m闸门，正常蓄水位高程1820.41m；泄槽Ⅰ、Ⅱ段结构断面尺寸为6.0m×4.4m、6.0m×3.6m，底坡分别为1∶11.4、1∶1.5；溢洪道出口采用底流消能，消力池长40.5m，池深7.0m，边墙高12.0m；后接护坦段，溢洪道消力池结构如图1所示。

1.3 溢洪道消力池水力计算相关方法

溢洪道水力条件较复杂，一般计算可采用通过经验公式计算，水力计算软件，数字三维模型和水工模型等多种方法对溢洪道工程消力池进行水力计算。

1.3.1经验公式

溢洪道消力池水力设计大部分是根据SL 253—2018《溢洪道设计规范》和《水工设计手册》等规范或书籍中的经验公式进行水力设计。经验公式是在科学实验中，通过多组实验数据出发拟合得到的，故具有局限性，需要根据公式要求进行计算。

图1 溢洪道消力池平面图

图2 溢洪道消力池纵断面图

1.3.2水力计算软件

计算软件是根据经验公式编制的软件，参数直接可以在软件中选择，减少了参数查找时间和减少计算中不必要的误差。主要有理正岩土计算分析水力学计算软件，水利水电设计程序集PC1500软件和利用VB、C语言和C++自编软件等对消力池进行水力设计。

1.3.3数字三维模流分析软件

此软件计算成果在参数设置合理情况下与实际相符，但难点在于参数设置，哪方面设置不合理就造成成果失真。主要有ANSYS、Flow- 3D、MIDAS—NFX、ADINA等对消力池进行水力设计。

1.3.4水工模型试验

水工模型试验比尺参数选择—水工模型尺寸和模型材料是确定成果合理型关键，根据SL 155—2012《水工(常规)模型试验规程》要求，研究枢纽中单一建筑物的水力特性，宜采用单体模型，几何比尺不宜小于1∶80[3]。岔河水库溢洪道模型按重力相似准则设计，采用正态模型。经计算比较模型最终选用比尺为λL=40，制作模型，最终根据水工模型试验复核消力池水力设计成果如图2所示。

2 多种方法对溢洪道消力池进行水力计算

2.1 经验公式对消力池进行水力计算

当设计水跃消能工时，跃前断面的收缩水深及相应流速是两个最基本的水力参数。对于溢洪道泄槽直接进入消力池的情况下，跃前断面收缩水深可近似等于泄槽末端水深[4]。在消能防冲洪水流量为63.8m3/s时，计算出收缩断面水深h1=0.335m，跃后水深h2=6.05m，池深d=3.12m，消力池长度L=31.53m，收缩断面弗劳德数为13.13。

按照SL 253—2018对消力池进行水力计算，如图3所示底流水跃消能公式计算如下。

(1)

(2)

d=σh2-ht-ΔZ

(3)

(4)

Lk=08L

(5)

L=69(h2-h1)

(6)

图3 下挖式消力池水跃图

按照《水工设计手册》对消力池进行水力计算，公式主要采用能量方程公式计算出收缩断面水深h1和收缩断面流速，弗劳德数和其它参数也没有范围限制，适用范围较广，底流水跃消能公式计算如下[5]。在消能防冲洪水流量为63.8m3/s时，计算出收缩断面水深h1=0.194m，跃后水深h2=8.07m，池深d=5.20m，消力池长度L=43.48m，收缩断面弗劳德数29.72。

(7)

(8)

(9)

(10)

Lk=(0.7～0.8)Lj

(11)

(12)

2.2 水力计算软件对消力池进行水力计算

采用理正岩土计算分析水力学计算软件对消力池进行水力计算，软件公式和《水工设计手册》一样，都是采用能量方程公式计算出收缩断面水深h1和收缩断面流速。在消能防冲洪水流量为63.8m3/s时，计算出收缩断面水深h1=0.195m，跃后水深h2=8.09m，池深d=5.64m，消力池长度L=40.84m。

采用水利水电设计程序集PC1500软件对消力池进行水力计算，软件公式和《水工设计手册》一样，都是采用能量方程公式计算出收缩断面水深和收缩断面流速。在消能防冲洪水流量为63.8m3/s时，计算出收缩断面水深h1=0.193m，跃后水深h2=8.14m，池深d=5.79m，消力池长度L=41.13m，如图4所示。

图4 Ⅰ类矩形底流消力池图

2.3 水工模型试验复核消力池水力设计成果

云南农业大学对岔河水库溢洪道进行水工模型试验研究。溢洪道进口段、控制堰段、泄槽段及消能段采用有机玻璃制作，其糙率满足试验要求(有机玻璃糙率n=0.007～0.009，混凝土糙率n=0.014～0.017，原型与模型糙率比为1.56～2.43)；消力池出口下游河道地形采用水泥砂浆硬模。经计算比较模型最终选用比尺为λL=40，相应比尺参数：

流量比尺：λQ=λL5/2=10119；时间比尺：λT=λL1/2=6325；

流速比尺：λν=λL1/2=6325；糙率比尺：λn=λL1/6=1849。

在消能防冲洪水流量为63.8m3/s时，能够形成深度淹没，跃前水深h1=0.36m，跃前流速v1=23.88m/s；跃后水深h2=10.40m，跃后流速v2=0.77m/s，消能率73.0%，消能效果明显，模型成果如下图。

在设计洪水流量为76.4m3/s时，能够形成深度淹没，跃前水深h1=0.42m，跃前流速v1=24.30m/s；跃后水深h2=10.60m，跃后流速v2=0.90m/s，消能率73.3%，消能效果明显。

在校核洪水流量为160.0m3/s时，跃前水深h1=0.82m，跃前流速v1=26.76m/s；跃后水深h2=10.00m，跃后流速v2=2.00m/s，消能率66.1%，水已经漫过尾水渠道边墙高度，但不影响枢纽区安全，模型成果如图5—6所示。

图5 溢洪道消力池水工模型试验水跃形态图(P=3.33%)

图6 溢洪道消力池水工模型试验水跃形态图(P=0.1%)

2.4 数字三维模流分析软件复核消力池水力设计成果

岔河水库溢洪道消力池采用ANSYS数字三维模流分析软件，软件难点是模型参数设置。通过对计算模型进行合理的划分区域与对网格进行有针对性的加密或者稀疏化，数值模拟结果与试验值吻合良好[6]。本项目是先完成水工模型试验，再根据试验数据来设置ANSYS参数，采用ANSYS数字三维模流分析软件进行复核对消力池进行水力计算，在校核洪水流量为160.0m3/s时，跃前水深h1=0.81m，跃后水深h2=10.60m，推求结果基本与水工模型试验相符，模型成果如图7所示。

图7 数字三维模流分析软件对溢洪道消力池水跃形态图(P=0.1%)

3 成果对比分析

岔河水库溢洪道消力池采用经验公式，水力计算软件，水工模型试验和数字三维模流分析软件进行水力计算，7种方案结果见表1。

由表1看出，方案1水力计算成果不合理，经过水工模型试验，溢洪道下泄洪水不能很好的在消力池消能，而是在消力池末尾产生挑流，故对消力池结构进行优化设计。方案2～7的计算结果相对误差较小，均不超过10%，说明成果基本合理。从安全和经济性考虑，消力池体型选用水工模型试验成果相对较为合理，优化后消力池长40.5m，池深7.0m，边墙高12.0m。

方案一水力计算成果不合理原因并非经验公式错误，主要原因是经验公式有局限性，水跃长度L计算公式中的收缩断面弗劳德数在5.5～9.0之间，而实际根据规范公式计算出收缩断面弗劳德数为13.13，不满足规范要求。

4 水力计算建议步骤

大型工程或水力条件复杂的中型工程的溢洪道，应根据水工模型试验，论证工程布置及水力设计的合理性[3]。确定溢洪道消力池结构尺寸方法很多，根据工程地形地质、工程布置和工程等级等不同建设条件下，有针对性选择合适的方法对溢洪道消力池进行水力复核设计，可以酌情参考如下步骤。

第一步，采用SL 253—2018或《水工设计手册》等规范或书籍中的经验公式初步确定溢洪道消力池结构尺寸。

第二步，采用理正岩土计算分析水力学计算软件或水利水电设计程序集PC1500软件等国家认证的软件来复核溢洪道消力池水力设计是否满足规范要求。

第三步，采用数字三维模流分析软件ANSYS、Flow- 3D、MIDAS—NFX或ADINA模拟水流流态来复核溢洪道消力池水力设计是否满足规范要求。数字三维模流分析软件可以减少设计成本和周期，并增加溢洪道运行安全性。

第四步，最后采用水工模型试验来复核溢洪道消力池水力设计是否满足规范要求。采用水工模型试验成果也较为可靠，但投入的设计成本和时间也较多，岔河水库溢洪道水工模型试验整整投入3个月才得到初步成果，故一般是在较大工程或涉及安全性因素下才采用此方法。或有条件情况下可采用水工模型试验复核，但需对试验成果有所甄别，试验存在误差，水工模型安装错误，试验参数取值不合理，或采用比例尺较小不能真实反映实际水流运行情况(一般试验单位为了减少模式试验成本，或是试验场地有限，故把水工模型做得很小)，都会造成试验成果不合理。

表1 多种方法对溢洪道消力池进行水力计算表

5 结语

通过多种计算方法结果进行对比分析研究，最终消力池体型选用水工模型试验成果；消能率60%～75%，虽然把大部分动能消除，但还剩余25%～40%没有消除，需要做好下游海曼设计，防止洪水淘刷溢洪道消力池基础，造成破坏。溢洪道消力池体型需要根据项目特点，工程规模大小，选择相对安全合理的水力计算方法。水库在运行过程中，做好消力池消能监测工作，并及时记录库水位、下泄流量、跃前水深、跃后水深、水跃长度等数据，验证理论计算、三维模流分析软件和水工模型试验结果是否合理。