劉利軍

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽 110166）

1 工程背景

李金水庫位于遼寧省綏中縣大王廟鎮(zhèn)境內的王寶河支流上，是一座以防洪和灌溉為主，兼有供水、養(yǎng)殖等諸多功能的?。?）型水庫。水庫壩址以上河長15.70 km，控制流域面積29.20 km2，河道比降為2.43%。水庫始建于20世紀70年代，設計標準為50年一遇，校核標準為100年一遇。根據(jù)工程的初始設計，水庫的死水位為109.50 m，死庫容為44.22萬m3；正常蓄水位為118.00 m，正常高水位庫容為397.09萬m3；設計洪水位為122.45 m，設計洪水位庫容為736.23萬m3；校核洪水位為124.55 m，校核洪水位庫容為930.19萬m3。水庫建筑物主要由大壩、溢洪道和輸水洞組成。其中，水庫大壩為粘土心墻砂殼壩，溢洪道為開敞式寬頂堰。經(jīng)過多年的運行，目前水庫的病險問題比較突出，存在嚴重的工程安全隱患，亟待進行除險加固。

根據(jù)除險加固工程設計，水庫防洪標準要提高到200年一遇，校核標準為1 000年一遇。由于防洪標準大幅提高且原溢洪道損毀嚴重，因此需要大部拆除重建。新建的溢洪道位于大壩右岸，主要由引渠段、控制段、陡槽段、擴散段、消力池及護坦組成。其中，泄槽段采用長2.00 m、高1.00 m的臺階進行消能；溢洪道的出口采用底流消能，后接消力池。消力池長46.00 m、寬17.00 m、深6.30 m。

2 原設計方案試驗評價

2.1 模型設計與制作

此次試驗采用重力相似準則進行試驗模型的設計[1]，結合工程的原始設計和場地因素，選擇1∶60的幾何比尺，并以此為基礎計算獲取其他物理量比尺，結果如表1所示。

表1 模型試驗物理量比尺

在模型制作過程中，按照設定的幾何比尺制作125.00 m高程以下的庫區(qū)地形，左岸102.00 m，右岸101.00 m以下的河道地形。整個模型采用斷面模板法，按照1∶1 000的比例進行制作，并對部分特殊地形進行加密處理[2]。

模型的引渠段、控制段、陡槽段、擴散段、消力池均使用厚度為10 mm的有機玻璃板制作，其糙率正好可以擬合混凝土的糙率，滿足試驗設計的具體要求[3]。整個溢洪道每隔1.00 m設置一個角鋼框架結構，以保證模型的穩(wěn)定性[4]。

2.2 測量方法和設備

試驗中的水深數(shù)據(jù)利用鋼板尺直接測量，并以測量數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制出水面線[5]；壓強數(shù)據(jù)采用測壓管進行測量[6]，流量Q數(shù)據(jù)則使用寬度為60 cm的薄壁量水堰進行量測，其計算公式：

式中：H為堰上水頭，m；P為堰高，m；B為堰寬，m；H0為修正后的水頭，m。

水位高度利用測針進行測量，測量過程中應緩慢接近水面，當其針頭剛好接觸水面時開始讀數(shù)[7]；流速V的測量使用8 mm畢托管，以實現(xiàn)不同試驗工況溢洪道各部位的流速場變化情況[8]，其計算公式：

式中：φ為流量系數(shù)，取1；g為重力加速度，m/s2；h為液面的高差，m。

2.3 試驗工況

結合背景工程的防洪設計標準和初始工程設計，確定如表2所示的不同試驗工況及具體參數(shù)。

表2 試驗工況設計表

2.4 初始方案試驗結果

利用制作的水工模型，對溢洪道初始設計方案進行模型試驗，結果顯示：陡槽段、消力池和池后海漫段的水流流態(tài)較差。在水流經(jīng)過陡槽段臺階邊緣時，水流會完全填充臺階面，沒有空腔存在，水流完全憑借剪切力在臺階的折角部位形成漩渦。在校核工況下，由于水流量加大，臺階處的水流表現(xiàn)為滑行水流，在進入消力池后沿底部向前流動，并在池前部產生明顯的回流，在消力池的中后部存在明顯的水流雍高現(xiàn)象。由此可見，雖然臺階部分進行了部分消能，但是消力池的消能效果不佳，造成水流在出池時的流速仍然偏大，極易造成下游河道的沖刷。由于主流的整體流速較大，水流在消力池內沒有形成完整的水躍，因此，造成池尾部位的水面雍高，池后部的壓強較大。由此可見，消力池的原設計方案未能達到消能設計效果，需要進一步優(yōu)化設計。

3 消力池優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化設計方案

鑒于原始設計方案消力池中的水流流態(tài)較差，在出口部位形成二次水躍，造成下游河床的嚴重沖刷，同時消力池內存在回流現(xiàn)象，因此，針對原設計方案中的常規(guī)消力池設計進行優(yōu)化和改進。改進思路：一是對消力池進行加寬和加深；二是在消力池尾坎部位設置等間距的倒三角形楔體尾墩；三是上述2種方式的結合?；谏鲜龈倪M思路，提出3種不同的優(yōu)化設計方案，見表3。鑒于初始設計方案在設計水位工況下的水流流態(tài)就明顯偏差，且該工況也是以后溢洪道的主要開啟和使用工況，因此，對優(yōu)化方案在設計水位工況下展開試驗，根據(jù)試驗結果對優(yōu)化方案進行評價。

表3 優(yōu)化方案設計內容

3.2 優(yōu)化方案試驗結果

3.2.1水流流態(tài)

通過模型試驗可以看出，3個優(yōu)化方案的臺階凹角部位都存在比較明顯的漩渦，受消力池空間的限制，方案2靠近消力池前部的部位形成水躍；方案2和方案3由于消力池空間較大，靠近消力池的底部并形成比較完整的水躍，消能比較充分。方案3和方案2相比，消力池內和下游海漫段的水流流態(tài)更為平順，大部分水流隨主流在消力池靠近底板位置形成比較充分的水躍，能量的耗散也比較充分，可以有效減輕下游的沖刷。

3.2.2流速

模型試驗中對3種不同優(yōu)化方案消力池以下游海漫段各個關鍵斷面的流速進行測量，其中每個斷面設置3個測點，分別位于左岸、右岸和中心線部位。其中，左岸和右岸測點位于距離邊墻5 cm部位。每個測點都進行3次測量，以其均值作為最終試驗結果。對試驗結果進行整理，如表4所示。從表4中的結果可以看出，在3種優(yōu)化方案下，溢洪道消力池和下游海漫段的中心線部位存在急流，但是所有監(jiān)測點的流速值均為正值，說明在經(jīng)過方案優(yōu)化之后，消力池和下游海漫段不存在明顯的回流現(xiàn)象，水流的流態(tài)更為平順。從3種優(yōu)化方案的對比來看，方案3的中心線部位的流速值較方案1和方案2明顯偏小，說明對急流的控制作用更為明顯；中心與兩側的流速差更小，說明水流流態(tài)分布更為均勻，可以取得更為理想的消能效果。

表4 各關鍵斷面流速試驗結果m/s

3.2.2壓強

模型試驗中對3種不同優(yōu)化方案消力池以下游海漫段各個關鍵斷面的壓強進行測量，每個測點都進行3次測量，以其均值作為最終試驗結果。對試驗結果進行整理，如表5所示。從表5中可以看出，在3種優(yōu)化方案下，池內和池后海漫段的壓強分布較為均衡，不存在比較明顯的突變。由于水流進入消力池后可以充分擴散和消能，因此底部壓強的分布基本一致。由于主流在前行中會裝機消力池尾坎折角，因此，靠近尾坎部位的壓強稍有增大，同時各方案下消力池內均不出現(xiàn)負壓。3種方案對比來看，方案3的壓強分布更為均衡，消力池各部位的壓強變化較為平穩(wěn)，應該為最佳方案。

4 結語

溢洪道的優(yōu)化設計對保證水利工程泄洪安全具有重要意義。為了解決背景工程常規(guī)消力池消能效果不明顯，消力池和下游海漫段水流流態(tài)較差的問題，研究中提出了3種不同思路的消力池優(yōu)化設計方案。通過模型試驗的結果分析，認為方案3條件下的池內和海漫段的水流流態(tài)最為平穩(wěn)，為最佳設計方案。當然，此次優(yōu)化研究僅針對消力池的體型展開，沒有進一步探索臺階尺寸和型式對消能效果的影響，也沒有探討和分析下游不同消能工與臺階溢洪道聯(lián)合使用時的水力特征，因此，在今后的研究中仍需要在上述方面進行更為深入的研究和分析，以便為工程設計和建設提供更有力的支持和幫助。

表5 各關鍵斷面壓強試驗結果 MPa