饶平县汤溪水库溢洪道水工模型试验研究

钟勇明，朱红华，黄智敏

(广东省水利水电科学研究院，广州 510635)

溢洪道是水库枢纽建筑物中的重要组成部分，在工程运行中，溢洪道进水渠布置形式通常会受到地形地质条件、相邻建筑物结构形式以及工程占地条件等限制，从而影响着上游进水流态、泄流能力及下游消能防冲效果[1-3]。本文主要介绍通过溢洪道水工模型试验，研究溢洪道泄流能力，消能工运行水力特性，优化溢洪道设计方案，分析下游排洪渠的抗冲刷能力及水流形态，为工程设计和运行提供科学依据。

1 工程概况

汤溪水库位于广东省饶平县黄冈河中游汤溪镇花桥村，距县城黄冈镇38 km，始建于1958年，水库控制流域面积为667 km2，总库容为3.8亿m3，正常蓄水位为56.0 m，相应库容为2.864亿m3，兴利库容为2.75亿m3，是一项具有灌溉、防洪、发电、供水等综合利用效益的大(2)型水库工程。水库设计灌溉农田为0.95 hm2，目前实际灌溉为0.79 hm2，电站装机2台共8 000 kW，年发电量约2 500万kWh。

汤溪水库溢洪道为工程的主要建筑物，洪水设计标准为100年一遇(P=1%)，相应下泄流量Q=3 152 m3/s；校核洪水频率为2000年一遇(P=0.05%)，相应下泄流量Q=3 695 m3/s；下游消能设计洪水频率为50年一遇(P=2%)，相应下泄流量Q=1 500 m3/s[4]。模型试验采用佛劳德重力相似律设计的1∶55正态整体水工模型进行[5]，通过试验对溢洪道的消能形式进行研究和优化。

2 设计方案试验成果

2.1 方案布置

新建溢洪道全长为416.68 m，分别由进水渠、控制段、泄槽段、消力池及浆砌石护底段组成。进水渠段为转弯段，中心线长为61.80 m；控制段到消力池段为直段，长为261 m；下游浆砌石护底段为转弯段，中心线长为93.88 m。溢洪道由五孔弧形钢闸门控制泄流，每孔净宽为10 m。控制段溢流堰采用驼峰堰，控制段长为25 m，堰顶高程为49.00 m，溢洪道设计方案体型布置见图1。

图1 汤溪水库溢洪道设计方案体型布置示意(单位：m)

1) 进水渠段

进水渠上游侧对原地形进行土地平整，平整后渠底板高程为46.84 m，进水渠中心线长为61.8 m。进水渠两侧采用扶壁式挡墙，挡墙顶与坝顶高程齐平，高程为62.00 m。进水渠采用喇叭口形式，左岸边墙转弯半径为23.5 m，转角为86.45°，弧长为32.8 m；右岸边墙上游侧长为32.9 m，接转弯半径为98.5 m圆弧，转角为31.69°，弧段长为55.3 m。进口段过水断面从宽77.9 m渐变到60 m(见图2)。

图2 汤溪水库溢洪道设计方案上游进口左、右岸挡墙平面布置示意(单位：m)

2) 控制段

控制段桩号0+000～0+025，长为25 m，由5孔10 m宽弧形钢闸门控制，过水断面净宽为50 m，中墩厚为2.5 m，边墩顶厚为2 m。堰面采用驼峰堰，堰顶高程为49.00 m，堰高为2.16 m，堰长为17.28 m，堰中心桩号为0+012.98 m(见图1)。

3) 泄槽段

泄槽段桩号0+025～0+203，过水断面宽为 60 m，纵坡为1∶5.6，泄槽段水平投影长为178 m，泄槽末端连接消力池。

4) 消力池段

消力池段桩号0+203～0+259，长为56 m，池底高程为15.30 m，为下挖式消力池，池深为6 m。消力池两侧边墙采用扶壁式挡墙，墙顶高程为30.20 m。消力池末端尾坎顶宽为2 m、坡度为1∶0.5。

5) 浆砌石护底段

浆砌石护底段中心线长为93.88 m，护底段面高程为21.30 m，两侧有21 m长斜坡段挡墙，挡墙顶高程从30.20 m渐变到23.00 m，渐变段挡墙后为转弯段，左岸挡墙接圆弧段(R=10 m、角度θ=24.87°)后，再接54.6 m直段；右岸挡墙接10.2 m直段，后接圆弧段(R=100 m、角度θ=24.87°)，出口接32.9 m直段。过水断面从宽60 m渐变到67 m。

2.2 溢洪道泄流能力

在设计洪水和校核洪水流量泄流运行时，测试的库水位分别为 59.80 m和61.14 m，分别比设计值壅高0.32 m和0.34 m，溢洪道的泄流能力不足(见表1)。对此问题，设计单位对模型试验得出的溢洪道泄流量与上游水位关系曲线重新进行复核与调洪演算，作为下一步水工模型试验的依据。

表1 设计方案溢洪道泄流能力

2.3 溢洪道流态和流速分布

1) 按表1的泄流条件进行试验，试验表明，在各级洪水频率流量泄流时，受上游进口地形的影响，主流偏向左侧，进口段左侧流速比右侧流速大，但闸室水流仍较平顺，流速分布较均匀(见图3)。上游进口挡墙受侧收缩的影响，导致左、右岸挡墙进水头部内、外侧水位差较大，左、右岸挡墙进水头部内、外侧水位差见表2。

图3 设计方案——溢洪道上游进口流态和流速分布示意(单位：m)

表2 进水渠左、右岸挡墙进水头部内、外侧水位

2) 当试验流量为Q=780 m3/s(P=5%)和Q=1 500 m3/s(P=2%、消能工况)时，池内水跃较完整，消力池内水流消能较充分，但水流经消力池尾坎后仍产生跌流，其原因为消力池的尾坎顶高程较高，使得出池水流与下游河道水流衔接不够平顺。

3) 由于溢洪道堰顶(高程为49.00 m)至消力池底板(高程为15.30 m)的高差达33.7 m，当试验流量为Q=3 152 m3/s(P=1%)和Q=3 695 m3/s(P=0.05%)时，陡槽段单宽流量分别为52.53 m2/s和61.58 m2/s，水流过堰后急流直下，陡槽段流速较大，桩号0+165断面底流速达约21～22 m/s，水流呈急流状撞击消力池末端尾坎后，形成强迫水跃，跃起再跌向消力池的下游，水流在尾坎顶上形成较明显的跌流。在校核洪水频率流量泄流时，消力池末端水流涌高达约33.70 m高程，比尾坎顶(高程为21.30 m)高出约12.4 m。下游河道水流波动较大，加剧了对下游河床的冲刷。

4) 在各级洪水频率(P=5%～0.05%)流量泄流时，各测流断面水面线分布较均匀，水流进入陡槽段后，水深沿程减小，流速沿程增大。陡槽段末端入池底流速达10.7～19.9 m/s，消力池尾坎底流速达3.8～7.5 m/s。

2.4 下游河床流态和流速分布

1) 在设计洪水(Q=3 152 m3/s)和校核洪水(Q=3 695 m3/s)泄流运行时，消力池下游水面波动较大，池后下游河床底流速较大值约为6～7 m/s。

2) 其他洪水频率(P=5%和P=2%)泄流运行时，池后水流衔接过渡较为平顺，河床面底流速约为3～4 m/s。

3) 在各级洪水频率(P=5%～0.05%)流量泄流时，消力池出口水流经浆砌石护底段汇入下游河道，由于消力池出口下游为弯道河道，出池水流受弯道的影响，在下游桩号约0+330左岸坡处形成局部回流区，回流流速值约达0.7～1.4 m/s(见图4)。

图4 设计方案——溢洪道下游河床流态和流速分布示意(单位：m)

2.5 小结

1) 测试的溢洪道库水位比设计值偏高，设计单位根据设计方案泄流能力试验成果，重新复核与调洪演算后，作为下一步水工模型试验的依据。

2) 在各级洪水频率泄流运行时，溢洪道闸室上游进水渠左、右岸挡墙内侧水面均有侧收缩的影响，导致左、右岸挡墙进水头部产生不同程度的内、外侧水位差，流态较差，需对左、右岸挡墙进行修改。

3) 在设计洪水频率和校核洪水频率流量泄流时，陡槽段流速值达约24～26 m/s，溢洪道泄流落差较大，下泄水流进入消力池后，直接撞击消力池尾坎，迫使水流涌高和翻滚，形成强迫水跃，跃起再跌向消力池的下游，水流在尾坎顶上形成较明显的跌流。为了降低陡槽段流速值，增加陡槽段水流的消能率，减轻消力池的消能压力，拟在溢洪道陡槽段设置外凸型阶梯消能工。

4) 由于消力池尾坎顶高程较高，消力池末端尾坎出流形成明显跌流，出池水流与下游河道水流衔接不够平顺，需要降低消力池末端的尾坎高程，使消力池出池水流与下游河道水流较平顺衔接。

5) 消力池出口下游为弯曲河段，水流在左岸坡(桩号约0+330)处形成局部较强回流区，回流流速较大值约1.4 m/s，需对消力池出口下游左、右岸挡墙进行修改，改善弯段流态。

3 工程推荐方案试验成果

3.1 方案布置

1) 进水渠左岸挡墙转弯段不变(R=23.5 m、角度θ=86.45°、弧长32.8 m)，上游侧增加长为16.5 m的直段，挡墙顶高程为62.00 m，在挡墙高程为54.35 m和53.80 m处设置两排导流孔，补充侧向进水[6]，孔径Φ=1.1 m；右岸挡墙以A为起点,AC(R=50 m、角度θ=27.13°、弧长为23.7 m)与CD(R=110 m、角度θ=21.55°、弧长为41.4 m)两段圆弧相接，后与右岸地形连接，挡墙顶高程为62.00 m；另从B点起设置另一道挡墙BE(R=70 m、角度θ=66.98°、弧长为81.8 m)，挡墙顶高程为51.00 m，后接EF段圆弧(R=65 m、角度θ=39.24°、弧长为44.5 m)，再接上游侧长为87.9 m直段，挡墙顶高程均为50.00 m(如图5所示)。

2) 为了降低陡槽段的流速值，增加陡槽段水流的消能率，从陡槽段首端(桩号0+026.436)开始设置27级阶梯跌坎，阶梯高度为0.38 m，阶梯间距均为5 m；各阶梯面下游端角两边各削掉边长为0.05 m的尖角体(见图6)。

3) 为了减小池末尾坎的跌流落差，将消力池尾坎顶高程由21.30 m降低至20.30 m(降低1m)，并以1∶30反坡与桩号0+291断面(高程为21.30 m)连接 (见图6)。

图6 溢洪道陡槽段阶梯及消力池推荐方案布置示意(单位：m)

4) 为了改善溢洪道消力池出口下游弯段流态，降低回流流速，减轻对左岸坡的淘刷，溢洪道消力池出口断面下游左、右两岸挡墙作以下修改(见图7): 消力池出口左岸挡墙长度为78.7 m，与消力池段左边墙呈17.68°角往左侧扩宽，其中长为21 m斜坡段挡墙，挡墙顶高程从30.20 m降低为23.00 m；右岸挡墙接31.2 m直墙段(高程为30.20 m)，后接R=100 m、θ=24.87°圆弧段(其中θ=12.84°、挡墙顶高程为30.20 m，θ=12.03°为斜坡段挡墙，挡墙顶高程从30.20 m降低为23.00 m)，下游接32.9 m直墙段。消力池出口断面宽为60 m渐变到67 m。

图7 溢洪道消力池出口下游左、右岸挡墙推荐方案平面布置示意(单位：m)

3.2 溢洪道泄流能力

在设计工况和校核工况泄流时，溢洪道上游设计洪水位和校核洪水位分别为59.38 m和60.98 m，分别比设计值低0.1 m和0.02 m，溢洪道泄流能力满足工程设计需要。

3.3 溢洪道上游进水渠流态

试验表明，溢洪道闸室上游进水渠左岸挡墙上游侧增加长16.5 m的直段并采用开导流孔形式后，在各级洪水频率流量泄流时，左岸挡墙进水头部的侧收缩影响和内、外侧水位差得到明显改善，水位差随着泄流量的减小而减小(见表3)；右岸挡墙进口水流比较顺畅，流速分布较均匀，进水渠流速减小，水流较平顺。

表3 进水渠推荐方案左岸挡墙内、外侧水位差

3.4 消能特性

1) 陡槽段

陡槽段设置阶梯后，阶梯槽面流速较光滑槽面流速明显减小。在设计洪水校和核洪水条件泄流时，阶梯槽面上大部分位置测点的底流速Vd<16 m/s，其他洪水流量泄流时，槽面上的Vd<15 m/s，其对槽面避免遭受高速水流冲刷和增加消能效果是较显著的[7-12]。

根据本工程运行的水头落差大的特点，总结以往多宗水利工程的试验研究经验和成果，经多方案试验比较得出：当阶梯高度为0.38 m、阶梯间距为5 m时，陡槽段的水流能量消杀效果较好。试验表明，由于陡槽末端入池流速受水跃表面回流及漩滚影响，陡槽末端流速差异较大，因此，采用入池前的光滑和阶梯陡槽断面(桩号0+165)平均流速进行消能比较，各种洪水流量泄流消能计算见表4。

由表4可见，陡槽设置阶梯消能工之后，消能效果显著，阶梯槽面的动能约为光滑槽面动能的48%～65%，消能率随泄量减小而增大，阶梯槽面的动能消能率η=ΔE/E1达0.35～0.52。这表明陡槽段阶梯消能的效果是明显的。

表4 光滑和阶梯槽面消能比较

2) 消力池段

陡槽段设置阶梯后，在各级洪水频率流量泄流时，入池流速约为8～16 m/s，消能效果良好，出池跌水消减较明显，出池水流与下游河道水流衔接较平顺。消力池末端尾坎与下游河道水位存在一定的水位差值(见表5)，在校核洪水流量运行时，消力池池长稍偏短，建议在工程投资和施工条件许可的情况下，可将消力池适当延长约4～5 m。

表5 优化后出池水位与下游水位差值 m

4 结语

1) 通过对汤溪水库加固工程溢洪道进行水工模型试验研究，优化了工程设计方案，经优化后，进水流态得到明显改善，有效减小左、右岸进水的侧收缩影响，过流能力增加。

2) 本工程溢洪道上、下游落差较大，模型试验在溢洪道陡槽面上设置了27级阶梯跌坎，利用槽面阶梯的跌流、漩滚和掺气作用，阶梯槽面增加了陡槽内的消能率，陡槽末端动能明显减小，消力池内消能效果较好。

3) 消力池尾坎顶高程降低后，减小了消力池末端尾坎出口的跌流，下游出池水流流态平稳，与河道水流衔接较平顺。