孟云祥，孫 賀，杜振康，朱光明，閆秀秀

西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100

與傳統(tǒng)光滑溢洪道相比，臺(tái)階溢洪道具有施工方便、工期短、消能率高等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者從不同角度出發(fā)對(duì)不同形式的臺(tái)階溢洪道及其水力特性進(jìn)行了理論推導(dǎo)、模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，取得了較為豐富的研究成果[2-4]。在實(shí)際工程中，臺(tái)階溢洪道前端摻氣坎形式對(duì)臺(tái)階水流流態(tài)影響較為明顯?；诖耍恼乱再F州某水庫(kù)臺(tái)階溢洪道為工程背景，從優(yōu)化臺(tái)階與消力池內(nèi)水流流態(tài)出發(fā)，重點(diǎn)對(duì)臺(tái)階前端摻氣坎進(jìn)行體型優(yōu)化調(diào)整，以期為實(shí)際工程提供合理體型。

1 工程概況

貴州某水庫(kù)大壩壩頂中部設(shè)泄洪表孔，為開(kāi)敞式不設(shè)閘泄洪方式，壩高80m，其中堰頂高程為605m，共3孔，單孔寬11m，溢流凈寬33m。溢流堰型采用WES實(shí)用堰，曲線(xiàn)方程為y=0.149x1.85。采用臺(tái)階泄槽，臺(tái)階高度為2m，臺(tái)階坡比為1∶0.8，采用消力池消能方式，消力池寬度為35m，池長(zhǎng)50m，尾坎高4.5m，體型參數(shù)如圖1所示。特征水位實(shí)測(cè)流量如表1所示。

圖1 臺(tái)階溢洪道體型參數(shù)詳圖（單位：m）

表1 水庫(kù)溢洪表孔特征水位實(shí)測(cè)流量表

2 模型布置

水工模型試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照試驗(yàn)任務(wù)要求，模型為正態(tài)模型，采用比尺Lr=50。

模型試驗(yàn)段制作范圍為上游庫(kù)區(qū)從壩頂軸線(xiàn)向上210m（模型4.2m），下游河道從消力池末端向下游300m（模型6.0m），再加上溢洪表孔長(zhǎng)度約124.5m（模型2.49m），模型制作范圍總長(zhǎng)約634.5m（模型12.7m）。

3 存在的問(wèn)題及解決思路

基于水力學(xué)試驗(yàn)流態(tài)觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)量測(cè)后發(fā)現(xiàn)，該水庫(kù)工程溢洪表孔存在以下問(wèn)題：（1）由于臺(tái)階起點(diǎn)沒(méi)有形成摻氣空腔和摻氣水舌，應(yīng)該在臺(tái)階起點(diǎn)增加摻氣坎，實(shí)現(xiàn)臺(tái)階上段水流的摻氣，同時(shí)改善臺(tái)階起點(diǎn)水流流態(tài)；（2）針對(duì)小流量水舌直接沖擊臺(tái)階水平面形成平拋流態(tài)，導(dǎo)致的流態(tài)不佳甚至超出兩側(cè)邊墻的情況，應(yīng)該對(duì)起始端臺(tái)階布置進(jìn)行具體優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化方案一

為了避免小流量在第一個(gè)臺(tái)階水流貼壁下泄，水流在臺(tái)階水平面挑射出流，形成平拋水流流態(tài)，試驗(yàn)在溢流堰末端設(shè)置一個(gè)摻氣坎，目的是在第一個(gè)臺(tái)階跌坎位置形成一個(gè)通氣空腔，避免水流貼壁下泄產(chǎn)生不利流態(tài)。按照這一思路，試驗(yàn)參考以往工程實(shí)際摻氣坎體型，并結(jié)合該工程體型特點(diǎn)，初步確定的摻氣坎修改一體型如圖2所示。其中，摻氣坎鉛直高0.20m，起點(diǎn)在溢流面切點(diǎn)位置，坎斜長(zhǎng)3.32m。

圖2 優(yōu)化方案一摻氣坎體型詳圖（單位：m）

優(yōu)化方案一摻氣空腔流態(tài)如圖3所示。從圖3不難發(fā)現(xiàn)，校核洪水位工況沒(méi)有形成摻氣空腔，30年一遇工況基本處于臨界摻氣狀態(tài)，也就是空腔時(shí)有時(shí)無(wú)，并且空腔沒(méi)有在臺(tái)階貫通；5年一遇形成比較穩(wěn)定的空腔。大流量沒(méi)有形成穩(wěn)定暢通的摻氣空腔，摻氣坎必須進(jìn)行再次修改。

圖3 優(yōu)化方案一摻氣空腔流態(tài)圖

3.2 優(yōu)化方案二

考慮到修改一在大流量時(shí)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)摻氣坎的摻氣作用，并且在溢流堰開(kāi)始泄流時(shí)的小流量依然出現(xiàn)水流在第一個(gè)臺(tái)階產(chǎn)生水平挑射水流現(xiàn)象，分析其原因有可能是挑坎的坡比與原堰面坡比接近，水舌沒(méi)有挑起來(lái)，也就是挑坎的斜長(zhǎng)太長(zhǎng)，水舌水流基本和沒(méi)有挑坎水流方向接近，因此修改二將按照傳統(tǒng)的挑坎坡比1∶10進(jìn)行設(shè)計(jì)，體型如圖4所示，其中挑坎高為0.20m（鉛直0.32m），斜長(zhǎng)2.01m。

圖4 優(yōu)化方案二摻氣坎體型詳圖（單位：m）

優(yōu)化方案二摻氣空腔流態(tài)如圖5所示，在校核洪水位、消能防沖水位和5年一遇水位均形成穩(wěn)定的摻氣空腔，其中校核洪水位、消能防沖水位工況的摻氣水舌在第2個(gè)臺(tái)階位置與臺(tái)階相切。對(duì)小流量同樣進(jìn)行了觀(guān)察，依然存在水舌直接沖到第二個(gè)臺(tái)階水平面形成水平挑射的水流現(xiàn)象。因此，試驗(yàn)試圖通過(guò)將挑坎坡度再次變緩，讓水舌緊貼第一個(gè)臺(tái)階下泄，達(dá)到改善摻氣坎下游流態(tài)的目的。

圖5 優(yōu)化方案二摻氣空腔流態(tài)圖

3.3 優(yōu)化方案三

修改三是保持挑坎末端高度為0.20m（鉛直0.32m）不變，挑坎表面是向溢流面上游做切線(xiàn)，此時(shí)的挑坎斜長(zhǎng)為3.65m，相當(dāng)于挑坎坡比為1∶18.25，此坎比修改二放緩了接近一半，摻氣坎體型如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案三摻氣坎體型詳圖（單位：m）

試驗(yàn)觀(guān)察了3個(gè)不同工況的水舌流態(tài)和小流量工況下的臺(tái)階流態(tài)，其流態(tài)如圖7所示。流態(tài)基本和修改二接近，都可以形成穩(wěn)定的通氣空腔，只是由于該體型坡比變緩，使得水舌落點(diǎn)略有下移，表現(xiàn)在校核洪水位由于水舌下壓，在第一個(gè)臺(tái)階的空腔回水水面略有抬高，但空腔依然穩(wěn)定。其他工況和修改二基本變化不大。從以上修改過(guò)程來(lái)看，要改善水舌對(duì)臺(tái)階平面的沖擊，單單依靠調(diào)整摻氣坎體型還不夠，應(yīng)該再對(duì)臺(tái)階高度進(jìn)行必要的優(yōu)化。

圖7 小流量臺(tái)階流態(tài)圖

3.4 優(yōu)化方案四

由于臺(tái)階的不斷加密，使得摻氣空腔變小，為了確?？涨挥谐渥愕拿娣e通氣，保證通氣暢通，試驗(yàn)對(duì)摻氣坎高度進(jìn)行了加高。摻氣坎修改四挑坎高變?yōu)?.30m（鉛直0.48m），起點(diǎn)為切點(diǎn)，斜長(zhǎng)4.02m，以達(dá)到抬高水舌跳起高度，增加空腔面積的目的，摻氣坎體型如圖8所示。同時(shí)考慮到挑坎變高，水舌挑距增加，因此，模型將原設(shè)計(jì)的第4和第5個(gè)臺(tái)階也進(jìn)行加密，從而保證臺(tái)階面水舌流態(tài)的順暢銜接。

圖8 優(yōu)化方案四摻氣坎體型詳圖（單位：m）

通過(guò)試驗(yàn)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，在泄洪運(yùn)行各個(gè)工況以及小流量時(shí)，水流流態(tài)都比較理想，其通氣空腔穩(wěn)定，通氣良好，可以作為推薦體型。

4 結(jié)論

文章通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)貴州某水庫(kù)臺(tái)階溢洪道相關(guān)體型及水力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：（1）合理確定摻氣坎尺寸可保證臺(tái)階起點(diǎn)形成穩(wěn)定暢通的摻氣空腔和摻氣水舌；（2）針對(duì)臺(tái)階溢洪道在小流量運(yùn)行工況下水舌沖擊臺(tái)階水平面斜拋，從而超出兩側(cè)邊墻的情況，通過(guò)縮小摻氣坎末端、臺(tái)階起點(diǎn)處的臺(tái)階尺寸，可有效降低水流跌落高度。