鐘勇明，朱紅華，黃智敏

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635)

溢洪道是水庫(kù)樞紐建筑物中的重要組成部分，在工程運(yùn)行中，溢洪道進(jìn)水渠布置形式通常會(huì)受到地形地質(zhì)條件、相鄰建筑物結(jié)構(gòu)形式以及工程占地條件等限制，從而影響著上游進(jìn)水流態(tài)、泄流能力及下游消能防沖效果[1-3]。本文主要介紹通過溢洪道水工模型試驗(yàn)，研究溢洪道泄流能力，消能工運(yùn)行水力特性，優(yōu)化溢洪道設(shè)計(jì)方案，分析下游排洪渠的抗沖刷能力及水流形態(tài)，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

湯溪水庫(kù)位于廣東省饒平縣黃岡河中游湯溪鎮(zhèn)花橋村，距縣城黃岡鎮(zhèn)38 km，始建于1958年，水庫(kù)控制流域面積為667 km2，總庫(kù)容為3.8億m3，正常蓄水位為56.0 m，相應(yīng)庫(kù)容為2.864億m3，興利庫(kù)容為2.75億m3，是一項(xiàng)具有灌溉、防洪、發(fā)電、供水等綜合利用效益的大(2)型水庫(kù)工程。水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉農(nóng)田為0.95 hm2，目前實(shí)際灌溉為0.79 hm2，電站裝機(jī)2臺(tái)共8 000 kW，年發(fā)電量約2 500萬(wàn)kWh。

湯溪水庫(kù)溢洪道為工程的主要建筑物，洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇(P=1%)，相應(yīng)下泄流量Q=3 152 m3/s；校核洪水頻率為2000年一遇(P=0.05%)，相應(yīng)下泄流量Q=3 695 m3/s；下游消能設(shè)計(jì)洪水頻率為50年一遇(P=2%)，相應(yīng)下泄流量Q=1 500 m3/s[4]。模型試驗(yàn)采用佛勞德重力相似律設(shè)計(jì)的1∶55正態(tài)整體水工模型進(jìn)行[5]，通過試驗(yàn)對(duì)溢洪道的消能形式進(jìn)行研究和優(yōu)化。

2 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果

2.1 方案布置

新建溢洪道全長(zhǎng)為416.68 m，分別由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、消力池及漿砌石護(hù)底段組成。進(jìn)水渠段為轉(zhuǎn)彎段，中心線長(zhǎng)為61.80 m；控制段到消力池段為直段，長(zhǎng)為261 m；下游漿砌石護(hù)底段為轉(zhuǎn)彎段，中心線長(zhǎng)為93.88 m。溢洪道由五孔弧形鋼閘門控制泄流，每孔凈寬為10 m。控制段溢流堰采用駝峰堰，控制段長(zhǎng)為25 m，堰頂高程為49.00 m，溢洪道設(shè)計(jì)方案體型布置見圖1。

圖1 湯溪水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)方案體型布置示意(單位：m)

1) 進(jìn)水渠段

進(jìn)水渠上游側(cè)對(duì)原地形進(jìn)行土地平整，平整后渠底板高程為46.84 m，進(jìn)水渠中心線長(zhǎng)為61.8 m。進(jìn)水渠兩側(cè)采用扶壁式擋墻，擋墻頂與壩頂高程齊平，高程為62.00 m。進(jìn)水渠采用喇叭口形式，左岸邊墻轉(zhuǎn)彎半徑為23.5 m，轉(zhuǎn)角為86.45°，弧長(zhǎng)為32.8 m；右岸邊墻上游側(cè)長(zhǎng)為32.9 m，接轉(zhuǎn)彎半徑為98.5 m圓弧，轉(zhuǎn)角為31.69°，弧段長(zhǎng)為55.3 m。進(jìn)口段過水?dāng)嗝鎻膶?7.9 m漸變到60 m(見圖2)。

圖2 湯溪水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)方案上游進(jìn)口左、右岸擋墻平面布置示意(單位：m)

2) 控制段

控制段樁號(hào)0+000～0+025，長(zhǎng)為25 m，由5孔10 m寬弧形鋼閘門控制，過水?dāng)嗝鎯魧挒?0 m，中墩厚為2.5 m，邊墩頂厚為2 m。堰面采用駝峰堰，堰頂高程為49.00 m，堰高為2.16 m，堰長(zhǎng)為17.28 m，堰中心樁號(hào)為0+012.98 m(見圖1)。

3) 泄槽段

泄槽段樁號(hào)0+025～0+203，過水?dāng)嗝鎸挒?60 m，縱坡為1∶5.6，泄槽段水平投影長(zhǎng)為178 m，泄槽末端連接消力池。

4) 消力池段

消力池段樁號(hào)0+203～0+259，長(zhǎng)為56 m，池底高程為15.30 m，為下挖式消力池，池深為6 m。消力池兩側(cè)邊墻采用扶壁式擋墻，墻頂高程為30.20 m。消力池末端尾坎頂寬為2 m、坡度為1∶0.5。

5) 漿砌石護(hù)底段

漿砌石護(hù)底段中心線長(zhǎng)為93.88 m，護(hù)底段面高程為21.30 m，兩側(cè)有21 m長(zhǎng)斜坡段擋墻，擋墻頂高程從30.20 m漸變到23.00 m，漸變段擋墻后為轉(zhuǎn)彎段，左岸擋墻接圓弧段(R=10 m、角度θ=24.87°)后，再接54.6 m直段；右岸擋墻接10.2 m直段，后接圓弧段(R=100 m、角度θ=24.87°)，出口接32.9 m直段。過水?dāng)嗝鎻膶?0 m漸變到67 m。

2.2 溢洪道泄流能力

在設(shè)計(jì)洪水和校核洪水流量泄流運(yùn)行時(shí)，測(cè)試的庫(kù)水位分別為 59.80 m和61.14 m，分別比設(shè)計(jì)值壅高0.32 m和0.34 m，溢洪道的泄流能力不足(見表1)。對(duì)此問題，設(shè)計(jì)單位對(duì)模型試驗(yàn)得出的溢洪道泄流量與上游水位關(guān)系曲線重新進(jìn)行復(fù)核與調(diào)洪演算，作為下一步水工模型試驗(yàn)的依據(jù)。

表1 設(shè)計(jì)方案溢洪道泄流能力

2.3 溢洪道流態(tài)和流速分布

1) 按表1的泄流條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，在各級(jí)洪水頻率流量泄流時(shí)，受上游進(jìn)口地形的影響，主流偏向左側(cè)，進(jìn)口段左側(cè)流速比右側(cè)流速大，但閘室水流仍較平順，流速分布較均勻(見圖3)。上游進(jìn)口擋墻受側(cè)收縮的影響，導(dǎo)致左、右岸擋墻進(jìn)水頭部?jī)?nèi)、外側(cè)水位差較大，左、右岸擋墻進(jìn)水頭部?jī)?nèi)、外側(cè)水位差見表2。

圖3 設(shè)計(jì)方案——溢洪道上游進(jìn)口流態(tài)和流速分布示意(單位：m)

表2 進(jìn)水渠左、右岸擋墻進(jìn)水頭部?jī)?nèi)、外側(cè)水位

2) 當(dāng)試驗(yàn)流量為Q=780 m3/s(P=5%)和Q=1 500 m3/s(P=2%、消能工況)時(shí)，池內(nèi)水躍較完整，消力池內(nèi)水流消能較充分，但水流經(jīng)消力池尾坎后仍產(chǎn)生跌流，其原因?yàn)橄Τ氐奈部岔敻叱梯^高，使得出池水流與下游河道水流銜接不夠平順。

3) 由于溢洪道堰頂(高程為49.00 m)至消力池底板(高程為15.30 m)的高差達(dá)33.7 m，當(dāng)試驗(yàn)流量為Q=3 152 m3/s(P=1%)和Q=3 695 m3/s(P=0.05%)時(shí)，陡槽段單寬流量分別為52.53 m2/s和61.58 m2/s，水流過堰后急流直下，陡槽段流速較大，樁號(hào)0+165斷面底流速達(dá)約21～22 m/s，水流呈急流狀撞擊消力池末端尾坎后，形成強(qiáng)迫水躍，躍起再跌向消力池的下游，水流在尾坎頂上形成較明顯的跌流。在校核洪水頻率流量泄流時(shí)，消力池末端水流涌高達(dá)約33.70 m高程，比尾坎頂(高程為21.30 m)高出約12.4 m。下游河道水流波動(dòng)較大，加劇了對(duì)下游河床的沖刷。

4) 在各級(jí)洪水頻率(P=5%～0.05%)流量泄流時(shí)，各測(cè)流斷面水面線分布較均勻，水流進(jìn)入陡槽段后，水深沿程減小，流速沿程增大。陡槽段末端入池底流速達(dá)10.7～19.9 m/s，消力池尾坎底流速達(dá)3.8～7.5 m/s。

2.4 下游河床流態(tài)和流速分布

1) 在設(shè)計(jì)洪水(Q=3 152 m3/s)和校核洪水(Q=3 695 m3/s)泄流運(yùn)行時(shí)，消力池下游水面波動(dòng)較大，池后下游河床底流速較大值約為6～7 m/s。

2) 其他洪水頻率(P=5%和P=2%)泄流運(yùn)行時(shí)，池后水流銜接過渡較為平順，河床面底流速約為3～4 m/s。

3) 在各級(jí)洪水頻率(P=5%～0.05%)流量泄流時(shí)，消力池出口水流經(jīng)漿砌石護(hù)底段匯入下游河道，由于消力池出口下游為彎道河道，出池水流受彎道的影響，在下游樁號(hào)約0+330左岸坡處形成局部回流區(qū)，回流流速值約達(dá)0.7～1.4 m/s(見圖4)。

圖4 設(shè)計(jì)方案——溢洪道下游河床流態(tài)和流速分布示意(單位：m)

2.5 小結(jié)

1) 測(cè)試的溢洪道庫(kù)水位比設(shè)計(jì)值偏高，設(shè)計(jì)單位根據(jù)設(shè)計(jì)方案泄流能力試驗(yàn)成果，重新復(fù)核與調(diào)洪演算后，作為下一步水工模型試驗(yàn)的依據(jù)。

2) 在各級(jí)洪水頻率泄流運(yùn)行時(shí)，溢洪道閘室上游進(jìn)水渠左、右岸擋墻內(nèi)側(cè)水面均有側(cè)收縮的影響，導(dǎo)致左、右岸擋墻進(jìn)水頭部產(chǎn)生不同程度的內(nèi)、外側(cè)水位差，流態(tài)較差，需對(duì)左、右岸擋墻進(jìn)行修改。

3) 在設(shè)計(jì)洪水頻率和校核洪水頻率流量泄流時(shí)，陡槽段流速值達(dá)約24～26 m/s，溢洪道泄流落差較大，下泄水流進(jìn)入消力池后，直接撞擊消力池尾坎，迫使水流涌高和翻滾，形成強(qiáng)迫水躍，躍起再跌向消力池的下游，水流在尾坎頂上形成較明顯的跌流。為了降低陡槽段流速值，增加陡槽段水流的消能率，減輕消力池的消能壓力，擬在溢洪道陡槽段設(shè)置外凸型階梯消能工。

4) 由于消力池尾坎頂高程較高，消力池末端尾坎出流形成明顯跌流，出池水流與下游河道水流銜接不夠平順，需要降低消力池末端的尾坎高程，使消力池出池水流與下游河道水流較平順銜接。

5) 消力池出口下游為彎曲河段，水流在左岸坡(樁號(hào)約0+330)處形成局部較強(qiáng)回流區(qū)，回流流速較大值約1.4 m/s，需對(duì)消力池出口下游左、右岸擋墻進(jìn)行修改，改善彎段流態(tài)。

3 工程推薦方案試驗(yàn)成果

3.1 方案布置

1) 進(jìn)水渠左岸擋墻轉(zhuǎn)彎段不變(R=23.5 m、角度θ=86.45°、弧長(zhǎng)32.8 m)，上游側(cè)增加長(zhǎng)為16.5 m的直段，擋墻頂高程為62.00 m，在擋墻高程為54.35 m和53.80 m處設(shè)置兩排導(dǎo)流孔，補(bǔ)充側(cè)向進(jìn)水[6]，孔徑Φ=1.1 m；右岸擋墻以A為起點(diǎn),AC(R=50 m、角度θ=27.13°、弧長(zhǎng)為23.7 m)與CD(R=110 m、角度θ=21.55°、弧長(zhǎng)為41.4 m)兩段圓弧相接，后與右岸地形連接，擋墻頂高程為62.00 m；另從B點(diǎn)起設(shè)置另一道擋墻BE(R=70 m、角度θ=66.98°、弧長(zhǎng)為81.8 m)，擋墻頂高程為51.00 m，后接EF段圓弧(R=65 m、角度θ=39.24°、弧長(zhǎng)為44.5 m)，再接上游側(cè)長(zhǎng)為87.9 m直段，擋墻頂高程均為50.00 m(如圖5所示)。

2) 為了降低陡槽段的流速值，增加陡槽段水流的消能率，從陡槽段首端(樁號(hào)0+026.436)開始設(shè)置27級(jí)階梯跌坎，階梯高度為0.38 m，階梯間距均為5 m；各階梯面下游端角兩邊各削掉邊長(zhǎng)為0.05 m的尖角體(見圖6)。

3) 為了減小池末尾坎的跌流落差，將消力池尾坎頂高程由21.30 m降低至20.30 m(降低1m)，并以1∶30反坡與樁號(hào)0+291斷面(高程為21.30 m)連接 (見圖6)。

圖6 溢洪道陡槽段階梯及消力池推薦方案布置示意(單位：m)

4) 為了改善溢洪道消力池出口下游彎段流態(tài)，降低回流流速，減輕對(duì)左岸坡的淘刷，溢洪道消力池出口斷面下游左、右兩岸擋墻作以下修改(見圖7): 消力池出口左岸擋墻長(zhǎng)度為78.7 m，與消力池段左邊墻呈17.68°角往左側(cè)擴(kuò)寬，其中長(zhǎng)為21 m斜坡段擋墻，擋墻頂高程從30.20 m降低為23.00 m；右岸擋墻接31.2 m直墻段(高程為30.20 m)，后接R=100 m、θ=24.87°圓弧段(其中θ=12.84°、擋墻頂高程為30.20 m，θ=12.03°為斜坡段擋墻，擋墻頂高程從30.20 m降低為23.00 m)，下游接32.9 m直墻段。消力池出口斷面寬為60 m漸變到67 m。

圖7 溢洪道消力池出口下游左、右岸擋墻推薦方案平面布置示意(單位：m)

3.2 溢洪道泄流能力

在設(shè)計(jì)工況和校核工況泄流時(shí)，溢洪道上游設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位分別為59.38 m和60.98 m，分別比設(shè)計(jì)值低0.1 m和0.02 m，溢洪道泄流能力滿足工程設(shè)計(jì)需要。

3.3 溢洪道上游進(jìn)水渠流態(tài)

試驗(yàn)表明，溢洪道閘室上游進(jìn)水渠左岸擋墻上游側(cè)增加長(zhǎng)16.5 m的直段并采用開導(dǎo)流孔形式后，在各級(jí)洪水頻率流量泄流時(shí)，左岸擋墻進(jìn)水頭部的側(cè)收縮影響和內(nèi)、外側(cè)水位差得到明顯改善，水位差隨著泄流量的減小而減小(見表3)；右岸擋墻進(jìn)口水流比較順暢，流速分布較均勻，進(jìn)水渠流速減小，水流較平順。

表3 進(jìn)水渠推薦方案左岸擋墻內(nèi)、外側(cè)水位差

3.4 消能特性

1) 陡槽段

陡槽段設(shè)置階梯后，階梯槽面流速較光滑槽面流速明顯減小。在設(shè)計(jì)洪水校和核洪水條件泄流時(shí)，階梯槽面上大部分位置測(cè)點(diǎn)的底流速Vd<16 m/s，其他洪水流量泄流時(shí)，槽面上的Vd<15 m/s，其對(duì)槽面避免遭受高速水流沖刷和增加消能效果是較顯著的[7-12]。

根據(jù)本工程運(yùn)行的水頭落差大的特點(diǎn)，總結(jié)以往多宗水利工程的試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)和成果，經(jīng)多方案試驗(yàn)比較得出：當(dāng)階梯高度為0.38 m、階梯間距為5 m時(shí)，陡槽段的水流能量消殺效果較好。試驗(yàn)表明，由于陡槽末端入池流速受水躍表面回流及漩滾影響，陡槽末端流速差異較大，因此，采用入池前的光滑和階梯陡槽斷面(樁號(hào)0+165)平均流速進(jìn)行消能比較，各種洪水流量泄流消能計(jì)算見表4。

由表4可見，陡槽設(shè)置階梯消能工之后，消能效果顯著，階梯槽面的動(dòng)能約為光滑槽面動(dòng)能的48%～65%，消能率隨泄量減小而增大，階梯槽面的動(dòng)能消能率η=ΔE/E1達(dá)0.35～0.52。這表明陡槽段階梯消能的效果是明顯的。

表4 光滑和階梯槽面消能比較

2) 消力池段

陡槽段設(shè)置階梯后，在各級(jí)洪水頻率流量泄流時(shí)，入池流速約為8～16 m/s，消能效果良好，出池跌水消減較明顯，出池水流與下游河道水流銜接較平順。消力池末端尾坎與下游河道水位存在一定的水位差值(見表5)，在校核洪水流量運(yùn)行時(shí)，消力池池長(zhǎng)稍偏短，建議在工程投資和施工條件許可的情況下，可將消力池適當(dāng)延長(zhǎng)約4～5 m。

表5 優(yōu)化后出池水位與下游水位差值 m

4 結(jié)語(yǔ)

1) 通過對(duì)湯溪水庫(kù)加固工程溢洪道進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究，優(yōu)化了工程設(shè)計(jì)方案，經(jīng)優(yōu)化后，進(jìn)水流態(tài)得到明顯改善，有效減小左、右岸進(jìn)水的側(cè)收縮影響，過流能力增加。

2) 本工程溢洪道上、下游落差較大，模型試驗(yàn)在溢洪道陡槽面上設(shè)置了27級(jí)階梯跌坎，利用槽面階梯的跌流、漩滾和摻氣作用，階梯槽面增加了陡槽內(nèi)的消能率，陡槽末端動(dòng)能明顯減小，消力池內(nèi)消能效果較好。

3) 消力池尾坎頂高程降低后，減小了消力池末端尾坎出口的跌流，下游出池水流流態(tài)平穩(wěn)，與河道水流銜接較平順。