溢洪道渠首优化试验研究

李新颖，补金梓，路 易

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550081）

溢洪道作为枢纽区重要的泄水建筑物，其布置形式及结构设计对于汛期的大坝安全稳定起着至关重要的作用。随着我国水利工程的发展，对溢洪道渠首的研究也逐渐深入。郭红民[1]以实际水库工程为例，结合物理模型和数值模拟，比较了溢洪道进口侧边结构采用局部削坡、弧形垂直翼墙、变坡翼墙等方案，通过观察进口水流流态、流速、漩涡、紊动能及水面变化等水力学特征，发现采用弧形垂直翼墙的方案可减缓进口的不利流态,达到进口水流平稳的目的。谭宇静[2]将原设计方案中的喇叭口翼墙调整为平直设计并与溢洪道的中轴线平行，对溢洪道非对称进口导流墙进行优化设计，明显的改善了水流流态，提高了溢洪道沿程的水位分布均匀度。柏剑[3]通过对溢洪道进口形式、底宽、比降进行优化，进口段增设齿墙、增加进口边墙高度，并结合控制段、明渠段、泄槽段的等优化调整，提高原有水库的泄流能力及安全系数，降低了汛期的安全隐患。

本文以实际工程为依托，结合物理模型试验，对溢洪道渠首的初步设计进行研究并提出优化方案，并对优化后的泄流能力、流态及水力特性进行分析，为工程的后续设计提供了理论依据。

1 项目概况及试验目的

该工程为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1 305.60m，河床段趾板建基面高程1 233.4m，最大坝高72.20m；坝顶宽7.0m（净宽），最大坝底宽250m；坝 轴 线 方 位 角 为N17.31°E， 坝 顶 长168.62m。

坝址以上控制集水面积55.5km2，多年平均流1.33m3/s，多年平均年径流量4 186万m3。水库的主要任务是供水及灌溉。工程建成后，将有效解决附近集镇农业产业园区8.0万人城市用水、邻近村寨1.5万农村居民人畜用水；日供水量为3.44万m3/d，年供水量为1 256万m3/年；同时向周边7 450亩耕地提供农灌用水，多年平均年供水量为237万m3，80%保证率的年灌溉水量为270万m3。

溢洪道布置在左坝端，为开敞式无闸侧堰溢洪道，溢流净宽32.0m，堰型为WES实用堰，堰面曲线采用幂曲线y=0.186x1.85，堰顶高程为1 301.0m，桥面高程为1 305.60m，溢洪道由进水渠、侧槽段、调整段、泄槽、消能工和下游海曼段组成，总长316.03m（含引渠和海曼段）。侧槽段净宽32m，泄槽净宽度为12m，泄槽底坡为：溢0+000.00—溢0+045.00段 底 坡i=0.0653；溢0+053.91—溢0+161.09段底坡i=0.51，中间采用抛物线y=0.065x+0.025x2衔接。泄槽采用C30混凝土衬砌，泄槽边墙高4.5m，边墙厚度为1.0m，底板厚1.0m。工程采用底流消能的方式进行消能，消力池池长60m，池宽底板顶面高程1 235.00m，底板厚度3.0m。消力池后设100m长C25混凝土海曼至取水放空建筑物出口。

通常，在初步设计方案拟定后，通过水力模型试验验证原设计方案的合理性、可靠性及科学性[4-6]，本试验的目的为验证溢洪道结构设计布置，进一步优化溢洪道布置及体型设计；验证下游消能效果，使消能效果达到最佳。

2 水力模型试验过程

2.1 模型设计

本模型试验主要对水位—流量关系、流态、溢洪道水力特性、下游河道流场及岸边水面高程等问题进行研究。模型按重力相似准则设计[7-9]，模型比尺为1：40的正态模型，各物理量的相似关系如下：

模型库区和下游河道采用混凝土参照原始地形修建而成（模型糙率通过比尺换算得到并尽量保证二者相似）；溢流坝面及放空底孔采用透明有机玻璃制作，使流态清晰可见，便于观察。试验中压力测量采用测压管方法。

根据设计给定混凝土建筑物原型糙率约为n＝0.014，则沿程阻力相似所要求的模型糙率应为nm=0.0076，根据大量模型试验验证有机玻璃模型糙率约为0.0078—0.0082，两者差别小，因此认为模型糙率基本相似。初步设计特征水位见表1。

表1 特征水位泄量关系

模型的整体布置情况如图1所示。

图1 模型试验全景

2.2 初设模型试验结果

2.2.1 泄流能力

通过对不同水位条件下模型的泄流能力进行分析，得到水位、流量、以及流量系数三者之间的关系图，如图2所示。

图2 初设模型泄流能力

从计算结果可知，溢洪道流量系数整体呈先增大后减小的趋势。当水库水位较小时，溢流堰过流能力受边界影响相对较大，流量系数相对较小；随着库水位的逐渐增大，边界对溢流堰泄流能力的影响逐渐减弱，流量系数逐渐增大；当库水位继续增大至一定程度时，堰下水深较大，并出现了一定程度的淹没现象，导致流量系数在高水位时溢流堰流量系数相比之前减小。同时通过数据拟合得到在校核水位1 304.58m时，溢流堰泄流为430.86m3/s，小于设计值463m3/s。

2.2.2 流态

初设模型中不同工况下溢流堰进口（图3a）水流较为平顺，进口右侧导墙基本未出现绕流现象，但左侧导墙均出现了相对较强的绕流，同时校核工况堰下水深较高，出现较强的淹没，一定程度上削弱了溢流堰的过流能力。

其次，从掺气坎（图3b）起始位置的水流流态来看，掺气坎前水流比较均匀，引渠段由于过流边界不对称而产生的折冲现象在掺气坎位置已经基本消失。不同工况下掺气坎掺气良好，空腔持续稳定贯通，挑射水舌稳定，通气竖井补气充分，通气竖井尺寸满足要求。但由于掺气挑坎的挑角稍微偏大，因此在保持坎高不变的前提下，可适当减小掺气坎坡度，减弱挑流水舌对泄槽底板的冲击作用。

图3 消能防冲工况流态（P=3.33%）

初设模型中不同工况下消力池（图3c）消能充分，消力池池长满足要求，消力池与下游河道衔接较为顺畅，根据地形条件消力池出口左边墙距离下游左岸（图3d）护岸尚有一定距离，即该区域水流未能完全被利用；从现场模型中观察到消力池出口右侧水流直冲右防护岸，从工程安全角度出发，应对此进行优化处理。

2.3 模型优化

针对上述问题，对溢洪道设计进行优化。具体为：

（1）为减弱堰前绕流，增大溢流堰过流能力，将堰前左侧直导墙改为圆弧导墙，圆弧半径R=15.0m，圆心角θ=40.07°；进口右侧导墙同样做导圆处理，圆弧半径R=1.39m；将溢流堰右侧导墙与泄槽边墙衔接的小圆弧半径增大至R=6.00m，圆心角θ=72.59°；另外，由于本工程为土石坝，溢流堰具有一定的超泄能力，将堰顶宽度从32m增加至34m，如图4所示。

图4 溢洪道进口模型优化方案

（2）为充分利用消力池的效能效果，并防止右岸侧防护岸被长期冲击，将初步设计中的平角出口调整为圆角出口，左侧边墙起弧点位置提前至溢0+201.09，圆弧半径R=20.00m，如图5所示。

图5 消力池出口模型优化方案

（3）由于堰后存在较强的淹没，降低溢流堰的过流能力。为降低堰后水深、减少淹没，可将调整段末端高1m的坎取消，泄槽底板i=0.0015和i=0.0653采用直接衔接；侧槽段与调整段i=0.0015的底坡调整为平坡，平坡终点桩号溢0+006.00，其后通过i=0.05128的斜坡与衔接曲线起始点进行衔接，如图6所示。

图6 泄槽底板模型优化方案

2.4 优化后模型性能研究

2.4.1 泄流能力

与优化前相比，流量系数的变化趋势基本不变。随着库水位的逐渐升高，溢洪道流量系数先逐渐增大，水库水位较小时溢流堰过流能力受边界影响相对较大，流量系数相对减小；随着水位的逐渐增大，边界对溢流堰泄流能力的影响逐渐减弱，流量系数逐渐增大并趋于稳定；随着流量继续增大，堰下水流淹没的影响趋于明显，流量系数有所减小。校核水位1 304.71m时，溢流堰泄流474.60m3/s，大于设计值463m3/s，溢洪道泄流能力满足要求，优化后的模型泄流能力比初设模型有所提高，如图7所示。

图7 优化后模型泄流能力

2.4.2 流态

从现场试验（图8）可以看到，增设左侧圆弧导墙并将右侧导墙导圆后，溢流堰进口水流平顺，基本没有绕流产生。堰下水流产生的轻微水流折冲现象也不会对溢洪道侧墙结构造成过大的影响，可不予考虑。从掺气坎起始位置的水流流态也可以看到，在掺气坎前水流已经调整得比较均匀。

图8 优化后模型流态

不同工况下掺气坎掺气良好，空腔持续稳定贯通，挑射水舌稳定，不同工况下掺气空腔长度统计见图9。随着泄流量的减小，空腔长度也逐渐减小，掺气坎设计体型满足要求。

图9 优化前后掺气坎空腔长度对比

不同工况下消力池消能充分，池长与池深满足要求；消力池与下游河道衔接较为顺畅，基本未出现水流顶冲对岸的不利现象。将消力池出口边墙向左岸导圆后（图10），校核工况下出池水流明显向左岸偏转，有利于右岸岸坡的防冲，其余工况由于流量较小，流态未有明显变化。

图10 消力池出口水流流态

2.4.3 溢洪道水力特性

通过对优化后的模型观测，不同工况下溢洪道过流面的压强未出现负压状况，且沿程水面波动较小且压强基本没有出现较大的异常突变，同时各部位空化数均大于0.3（图11），满足抗空化要求。

图11 优化模型水力特性

3 结论

1、通过在溢流堰进口两侧设圆弧导墙来减弱绕流，取消侧槽调整段的1m高尾坎，堰宽增大至34m后，溢洪道泄流能力得到了显著提高，校核水位1 304.71m时，溢流堰泄流474.60m3/s，大于设计值463m3/s，溢洪道泄流能力满足要求。

2、掺气坎掺气充分，掺气空腔稳定贯通，掺气坎与补气竖井尺寸合理；在不改变坎高的前提下，适当减小掺气坎坡度，有助于减弱挑射水舌对泄槽底板的冲击作用。

3、不同工况条件下消力池消能充分，池内发生淹没式水跃，消力池池长满足要求。□