胡良才，李會平

（1.中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北石家莊 050021；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300072）

0 引言

溢洪道是水利工程中常用的泄洪建筑物，具有泄流能力大、水流流速高等特點(diǎn)。溢洪道體型設(shè)計不合理時易發(fā)生破壞[1]，嚴(yán)重的可能危及大壩安全。優(yōu)化溢洪道設(shè)計方案，保證泄流安全，同時最大限度降低工程投資一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

水工模型試驗可以模擬復(fù)雜的水流現(xiàn)象，其準(zhǔn)確性及價值得到了工程界的高度認(rèn)可，是目前溢洪道研究的主要手段。朱翠民等[2]針對溢洪道受橫向水流影響，導(dǎo)致引水渠兩側(cè)導(dǎo)墻處水流流態(tài)較差的問題，采用模型試驗研究了導(dǎo)墻型式對水流過流的影響；胡良明等[3]采用模型試驗方法研究了溢洪道水流流態(tài)及消能率；張霄[4]針對猴山溢洪道原設(shè)計方案迷宮堰背坡面存在明顯負(fù)壓區(qū)，可能產(chǎn)生空化空蝕的問題，對溢洪道體型進(jìn)行了優(yōu)化，并采用模型試驗研究了優(yōu)化體型的水流流態(tài)、壓強(qiáng)等；李楨等[5]針對溢洪道挑流水舌擴(kuò)散形態(tài)不佳，導(dǎo)致消能效率不理想的問題，采用水工模型試驗對溢洪道體型進(jìn)行優(yōu)化研究；何志亞等[6]針對沙河水庫溢洪道下游河谷狹窄，河道地形地質(zhì)條件復(fù)雜等問題，對溢洪道挑流鼻坎體型進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和模型試驗研究；楊東玲[7]針對轎頂子溢洪道挑流鼻坎原設(shè)計方案存在的問題，優(yōu)化了鼻坎體型并利用模型試驗方法驗證了優(yōu)化方案的可行性及合理性。

諸多學(xué)者的研究成果對于提高溢洪道設(shè)計水平，保障其泄流及結(jié)構(gòu)安全作出了突出貢獻(xiàn)。但各工程實(shí)際條件千變?nèi)f化，影響溢洪道安全的因素眾多，工程設(shè)計建造時不可完全照搬其他工程設(shè)計經(jīng)驗[8]。下面通過水工模型試驗，來研究驗證石頭峽水電站溢洪道結(jié)構(gòu)型式的合理性，并對溢洪道整體體型進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

石頭峽水電站位于湟水河一級支流大通河中游，是“引大濟(jì)湟”調(diào)水工程的樞紐工程，電站由面板堆石壩、開敞式溢洪道、泄洪洞、引水及發(fā)電系統(tǒng)等組成。水庫大壩最大壩高114.50 m，總庫容9.85×108m3，屬Ⅱ等大（2）型工程。根據(jù)壩址處地形地質(zhì)條件，采用岸邊溢洪道泄洪。溢洪道布置在右岸，由引水渠、閘室段、溢流堰、漸變段、陡槽段、挑流消能段組成。設(shè)計洪水位3 087.02 m時，溢洪道下泄流量Q為481.21 m3/s；校核洪水位3 088.54 m時，下泄流量Q為653.92 m3/s。

2 模型設(shè)計及制作

2.1 水工模型設(shè)計

溢洪道模型采用正態(tài)整體模型，按照重力相似準(zhǔn)則[9]設(shè)計。考慮試驗場地尺寸、水泵供水能力及模型材料糙率，確定長度比尺λL為54.54。經(jīng)計算，時間比尺λt為7.39，速度比尺λV為7.39，流量比尺λQ為21 967.86，糙率比尺λn為1.95。

2.2 模型制作

模型試驗?zāi)M范圍包括庫區(qū)、溢洪道及下游部分河道，庫區(qū)模擬范圍為引水渠進(jìn)口前150.00 m，左右各90.00 m，下游河道模擬范圍為自挑坎出口以下250.00 m。為保證進(jìn)流條件相似，進(jìn)水口附近庫區(qū)按幾何相似原則放樣制作，用混凝土抹面。制作庫區(qū)及下游河道地形時采用斷面法，根據(jù)地形復(fù)雜程度確定斷面的疏密程度[10]。為便于觀察水流流態(tài)，溢洪道模型采用有機(jī)玻璃制作。

2.3 量測設(shè)備

試驗過程中，采用四角型量水堰測量泄流量；采用南京水科院生產(chǎn)的直讀式旋漿流速儀測量流速；使用水位測針測量水位，測針分別布置在庫區(qū)（測量庫內(nèi)水位）、溢洪道下游河段（測量河道水位）、量水堰（測量模型試驗泄流量）3個位置。

3 初始設(shè)計體型試驗成果分析

3.1 初始設(shè)計方案

初始設(shè)計溢洪道包括閘室、駝峰堰、陡槽段、挑流消能段。閘室進(jìn)口高程3 080.50 m，長20.00 m，寬25.00 m，共3孔；駝峰堰堰頂高程3 082.00 m；陡槽段為梯形斷面，邊坡V∶H=1∶0.5，陡槽底坡i=0.02；挑坎位于陡槽末端，高程為3 078.88 m。

3.2 泄流能力

設(shè)計水位時，試驗實(shí)測溢洪道泄流能力為439.65 m3/s，比設(shè)計泄流能力480.63 m3/s小8.5%。

3.3 水流流態(tài)

由于引水渠段長度較短，對水流收束能力不足，試驗中觀察到閘室進(jìn)口右側(cè)出現(xiàn)小范圍漩渦，但不會對閘孔進(jìn)流產(chǎn)生太大影響。由于陡槽底坡較緩（i=0.02），泄流過程中陡槽內(nèi)出現(xiàn)沖擊波。同時，水流弗汝德數(shù)很低，挑坎水流在任何水位時都無法順利挑出形成有效挑流水舌，挑坎處基本處于“貼壁流”狀態(tài)。

4 優(yōu)化體型試驗成果分析

4.1 體型優(yōu)化方案

由于初始設(shè)計體型泄流能力不足，且存在諸多不良水力現(xiàn)象，對初始體型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。將閘室由3孔變成單孔，凈寬由21.00 m調(diào)整為12.00 m；溢流堰位置向下游移動，同時堰型由駝峰堰改成WES堰，堰頂高程由3 082.00 m降至3 078.00 m；陡槽底坡i由0.02增加到0.10，斷面由梯形調(diào)整為矩形；挑坎高程降低至3 065.00 m。

4.2 泄流能力

體型優(yōu)化后，不同閘門開度e下溢洪道水位流量關(guān)系見圖1。由圖1可見，各水位下溢洪道泄流能力均大于設(shè)計值，其中設(shè)計水位時模型實(shí)測值比設(shè)計值約大8.5%，泄流能力滿足要求。分析原因是，溢流堰向下游移動后，引水渠長度增加了約80.00 m，閘室進(jìn)流條件得到改善；閘室由3孔改為單孔后，進(jìn)流寬度與閘孔寬度相同，水流收縮影響很小。

圖1 閘門不同開度下溢洪道水位流量關(guān)系

4.3 水流流態(tài)

引水渠進(jìn)口處，水面產(chǎn)生輕微的跌落，不會對溢流堰的泄流產(chǎn)生影響。各水位下引水渠內(nèi)水流流態(tài)均比較平穩(wěn)，未發(fā)生明顯漩渦或回流。由于沒有閘墩影響，陡槽段流態(tài)非常平順，水面未出現(xiàn)不良水力現(xiàn)象。同時，挑坎高程比初始設(shè)計體型降低13.88 m，水流獲得了足夠的動能，以比較理想的形態(tài)挑出落入下游河谷。設(shè)計及校核水位下，挑坎內(nèi)側(cè)陡槽邊墻高度小于水深，考慮到水流摻氣后水深增加，因此，需適當(dāng)增加邊墻高度，以確保溢洪道安全運(yùn)行。

4.4 水流流速

設(shè)計水位時溢洪道引水渠及挑流消能段水流表面流速見圖2。由圖2可見，在重力作用下進(jìn)水口及陡槽內(nèi)流速沿程增加，水深沿程相應(yīng)減小。設(shè)計及校核水位時，挑坎處的水流流速為16.43～18.71 m/s，這個量級的流速實(shí)際上已進(jìn)入到高速水流范疇，但該工程挑坎體型簡單，不易引發(fā)空蝕破壞。挑流水舌的挑射距離基本與設(shè)計計算值一致，實(shí)測挑距約65.20 m，比設(shè)計值62.10 m稍大，是因為模型測量的是水舌外緣，而設(shè)計值計算的是水舌中心。

圖2 設(shè)計水位引水渠及挑坎水流表面流速（單位：m/s）

5 結(jié)語

綜上所述，溢洪道初始設(shè)計體型泄流能力不足，無法有效宣泄入庫洪水，泄流時陡槽前端出現(xiàn)較為明顯的沖擊波，且挑坎處水頭落差較小，任何水位下均無法形成有效挑流水舌；優(yōu)化體型泄流能力大于設(shè)計要求，各水位下溢洪道整體水流流態(tài)均較好，陡槽末端挑坎水舌的挑射距離與設(shè)計值基本一致，但挑坎兩側(cè)邊墻高度偏小，應(yīng)適當(dāng)加高邊墻高度，防止摻氣水流越過邊墻，沖刷淘空挑坎基礎(chǔ)。研究成果為溢洪道優(yōu)化體型工程應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，但由于試驗條件限制，未進(jìn)行溢洪道摻氣減蝕試驗，后繼將加大采取摻氣減蝕措施優(yōu)化溢洪道體型方面的研究。