玉陽湖溢洪道體型及泄流能力試驗(yàn)研究

李松平，賈文博，趙玉良，趙雪萍，蔡 毅

(1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.河南省科達(dá)水利勘測設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；3.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003)

溢洪道是水庫樞紐工程的重要組成部分，是保證水庫大壩安全的重要設(shè)施，是宣泄洪水的主要途徑。溢洪道體型布置合理與否不僅影響著水庫的泄流能力，也關(guān)系著工程投資，因此開展相關(guān)研究是非常必要和有益的。國內(nèi)很多學(xué)者結(jié)合工程實(shí)例，對溢洪道的布置和過流能力做了深入研究，為工程的合理布置提供了科學(xué)依據(jù)。袁群等[1]結(jié)合河南省鴨河口水庫除險(xiǎn)加固工程，對溢洪道泄流能力進(jìn)行了研究，為工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，并進(jìn)一步探討了WES型復(fù)合堰劃分標(biāo)準(zhǔn)，給出了設(shè)計(jì)水位流量系數(shù)的擬合公式，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。周蘇芬等[2]基于模型試驗(yàn)對某水庫溢洪道除險(xiǎn)加固工程臺階式溢洪道方案進(jìn)行了研究,對溢洪道閘室出口泄槽連接段、泄槽摻氣設(shè)施及消力池消力墩進(jìn)行不同方案優(yōu)化布置,優(yōu)化后泄槽內(nèi)水翅現(xiàn)象消除,水流流態(tài)得到改善,總消能率有所提高。胡良民等[3]采用物理模型試驗(yàn)方法對某山區(qū)溢洪道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對水流流態(tài)及消能率等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文結(jié)合濟(jì)源市三湖治理工程新建玉陽湖工程，采用1∶40的水工模型試驗(yàn)，對玉陽湖溢洪道泄流能力、水流流態(tài)、壓力分布、消能沖刷等復(fù)雜水力特性進(jìn)行了研究，通過優(yōu)化體型解決了溢洪道泄流能力不足、消力池消能效果不好，閘墩和下游翼墻高度不夠的問題，為玉陽湖的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

1 工程布置

玉陽湖位于黃河流域蟒河支流湨河上，河南省濟(jì)源市西約4 km，控制流域面積152.5 km2，總庫容664萬m3，是一座以改善城市水環(huán)境為主，兼顧城市應(yīng)急供水及防洪等綜合利用的小(1)型水利樞紐工程。水庫正常蓄水位172.00 m；30年一遇水位171.00 m；50年一遇設(shè)計(jì)水位171.19 m；500年一遇校核水位173.38 m。水庫布設(shè)有5孔溢洪道，最大泄流量2 633.0 m3/s。溢洪道由進(jìn)口段、閘室段、消力池段、漸變段和海漫段組成。進(jìn)口段為圓弧形半重力式擋土墻，閘室段長27 m，過流寬度50 m，閘底板高程161.00 m，曲線型實(shí)用堰，堰頂高程165.00 m，堰后降至159.50 m；消力池段總長度50 m，布置有兩級消力池，均設(shè)有消力坎，一級消力池長度30 m，寬度由62 m漸變到74 m，坎高3.0 m；二級消力池長20 m，寬74 m，坎高1.7 m；漸變段長40 m，由矩形斷面變?yōu)樘菪螖嗝?，底寬不變。海漫段長60 m，為梯形斷面，末端設(shè)防沖槽，防沖槽深1.5 m，頂寬10.5 m，底寬3 m。溢洪道剖面見圖1。

圖1 溢洪道縱剖面(m)

2 研究方案和模型制作

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為驗(yàn)證溢洪道泄流能力、進(jìn)出口體型、消能防沖等布置合理性，通過建立正態(tài)水工模型，對溢洪道過流能力，閘墩及上下游翼墻高度合理性，流態(tài)、流速分布及堰面壓力，消力池型式、長度、深度的合理布置及消能效果進(jìn)行系統(tǒng)研究，為工程運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 模型范圍和比尺選擇

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[4-7]，充分考慮縮尺效應(yīng)的影響，綜合考慮后選定比尺為1∶40的整體正態(tài)模型，并由此確定流速、流量、時(shí)間、糙率、沖刷等其他比尺。模型長度范圍上游自Y0-345 m斷面延伸至庫區(qū)，下游截取至Y0+237 m斷面。模型寬度范圍根據(jù)地形和校核洪水位選取，以保證寬度范圍不影響溢洪道上下游流態(tài)。為使模型能準(zhǔn)確反映原型的水流狀況，進(jìn)一步提高試驗(yàn)精度，在模型上游庫區(qū)增設(shè)多道花墻，用來平穩(wěn)水流。加上Y0-345斷面開始的河道天然調(diào)整能力，該模型范圍滿足試驗(yàn)段流場與原型流場的相似[4]。

2.3 模型制作

模型制作時(shí)嚴(yán)格控制精度。原型河道糙率在0.035～0.038，按照相似準(zhǔn)則，模型糙率為0.019～0.021，水泥粗砂漿粉面拉毛可以滿足阻力相似。溢洪道進(jìn)口引水渠及出口翼墻、消力池為混凝土建筑物，模型制作時(shí)用水泥砂漿抹制并做成凈水泥表面。原型閘室采用混凝土襯砌，糙率值為0.014[5]，要求模型糙率為0.007 6，有機(jī)玻璃的糙率為0.007 5～0.008 5[7]，采用有機(jī)玻璃制作溢洪道閘室能滿足阻力相似。

3 原設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

3.1 泄流能力

在定床的基礎(chǔ)上對玉陽湖水庫溢洪道水位流量關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5]，特別是對30年一遇、50年一遇和500年一遇3種特征工況進(jìn)行重點(diǎn)測量觀察。從試驗(yàn)結(jié)果來看，原設(shè)計(jì)泄流能力不足，見表1。

表1 泄流能力

3.2 流態(tài)、流速

原體型各工況下，溢洪道進(jìn)口水流平穩(wěn)。過閘室后在一級消力池形成淹沒水躍，30年、50年一遇躍首前后移動(dòng)不大，500年一遇時(shí)，躍首上下移動(dòng)范圍2 m左右，水流在一級消力池兩側(cè)附近形成回流，50年一遇洪水時(shí)，回流區(qū)右岸流速-1.27～-1.74 m/s，左岸流速-2.13～-2.55 m/s，500年一遇洪水時(shí)，回流流速-1.7～-2.4 m/s，回流沿側(cè)墻回溯而上，水花周期性地沖上邊墻頂，邊墻高度不夠，見圖2。水流出一級消力池后在二級池內(nèi)形成水躍，30年、50年一遇水躍穩(wěn)定，偶爾有水流上竄墻頂?shù)默F(xiàn)象。500年一遇二級消力池躍首呈扇形分布，軸線附近的躍首已超出消力坎，過消力坎后形成了跌水，一二級消力池兩側(cè)墻頂上水明顯，側(cè)墻高度明顯不足，見圖3。

30年一遇洪水溢洪道下游Y0+177斷面到Y(jié)0+190斷面兩岸均有一大的回流區(qū)，寬度約3 m，回流流速在-0.73～-1.67 m/s之間。50年一遇洪水時(shí)，溢洪道下游Y0+177至Y0+193斷面附近的回流區(qū)增大，回流最大寬度約5.2 m，回流流速-0.82～-1.73 m/s。500年一遇洪水時(shí)，溢洪道下游Y0+180至Y0+205斷面兩岸回流區(qū)范圍繼續(xù)增大，回流寬度約5 m，回流流速在-2.0～-2.6 m/s之間。下游邊墻高度只有Y0+087至Y0+117斷面之間尚能滿足要求，其余均不能滿足要求。水流過防沖槽后壅高明顯，波動(dòng)也隨之加大，溢洪道左右兩岸翼墻上水明顯。

3.3 壓力分布及消能

壓力采用測壓管量測時(shí)均動(dòng)水壓力。溢洪道全程無負(fù)壓出現(xiàn)，最小壓力和最大壓力均出現(xiàn)在校核洪水位時(shí)，最小壓為0.23 m水柱，位于曲線段頂部Y0+016.14斷面附近；最大壓力11.89 m水柱，位于引水渠。壓力分布良好。30年一遇洪水時(shí)，經(jīng)過兩級消力池消能后，防沖槽前流速為6.26 m/s，超出了下游漿砌石的抗沖流速范圍[8-9]，消力池消能效果較差。

4 體型優(yōu)化研究

分析原試驗(yàn)結(jié)果可知，原設(shè)計(jì)方案存在泄流能力不足、溢洪道下游翼墻高度不夠、消力池消能效果不好等問題。針對以上問題，對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案保持溢洪道進(jìn)出口體型不變。在原體型基礎(chǔ)上，將進(jìn)口底板高程和堰面曲線高程統(tǒng)一降低0.6 m，見圖4。將消力池改為一級消力池，消力池的長度為40 m，寬度由62 m漸變至74 m，消力池底部高程為156.90 m，消力坎頂部高程為159.80 m，見圖5；漸變段長40 m，由矩形斷面變?yōu)樘菪螖嗝妫讓挶３植蛔?。海漫段長度為60 m，斷面型式為梯形，末端設(shè)防沖槽，防沖槽深2.5 m，頂寬10.5 m，底寬3 m。

4.1 泄流能力

優(yōu)化體型30年一遇工況時(shí)，閘門為控泄運(yùn)行，此時(shí)溢洪道的泄量剛好與設(shè)計(jì)值相等，溢洪道的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求；50年一遇工況時(shí)，實(shí)際泄流量為1 697.5 m3/s，比設(shè)計(jì)泄流量大12.5 m3/s；500年一遇工況下，實(shí)際泄流量為2 679.4 m3/s，比規(guī)劃泄量大46.4 m3/s。優(yōu)化方案泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，見表1。

4.2 修改型流態(tài)、流速

30年一遇洪水時(shí)，溢洪道進(jìn)口段水流平穩(wěn)，水流過閘室后在消力池內(nèi)形成水躍，躍首前后移動(dòng)較大，水躍劇烈翻滾，摻入大量氣體，水體呈現(xiàn)出乳白色，躍后水面很平穩(wěn)地越過消力坎流向下游，過消力坎后形成波狀水躍，躍后水面壅高明顯，隨后平穩(wěn)地向下游推移，見圖6。水流擴(kuò)散后碰撞消力池側(cè)墻，在消力池兩側(cè)墻附近形成回流，回流沿側(cè)墻逆流而上，與下泄水流相匯后形成水花，水花偶爾竄上邊墻頂部，但與原體型相比，水量大為減小。溢洪道下游段邊墻高度不足，建議加高。50年一遇洪水流速流態(tài)與30年一遇洪水時(shí)極其相似。

當(dāng)施放500年一遇洪水時(shí)，進(jìn)口水流整體平穩(wěn)。翼墻外水位為173.76 m，考慮到安全超高，墻頂高程已明顯不足。消力池水躍流態(tài)與30年、50年一遇洪水極為相似，水躍旋滾更加劇烈，水體乳化更為明顯，見圖7。消力池兩側(cè)墻處回流依然存在，水花周期性竄上墻頂，但與原體型相比，水量減少很多。水流過消力坎后，形成二次水躍，躍首呈扇形分布，躍后水面壅高明顯，側(cè)墻高度明顯不足。

圖7 優(yōu)化體型500年一遇邊墻上水明顯

4.3 壓力分析

優(yōu)化體型30年、50年一遇洪水溢洪道全程為正壓；500年一遇洪水，除了溢洪道Y0+016.14斷面附近出現(xiàn)負(fù)壓外(負(fù)壓值為-0.92 m水柱)，其余斷面均為正壓，壓力分布較為良好。根據(jù)模型實(shí)測數(shù)據(jù)，對溢流壩反弧段及其附近氣穴指數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中ha——大氣壓強(qiáng)高度，計(jì)算時(shí)采用10.33 m水柱高；hv——與水溫相對應(yīng)的水的飽和蒸汽壓強(qiáng)；h——某種邊界形狀上游的壓強(qiáng)水頭；v——斷面平均流速。

由此計(jì)算出的溢流壩反弧段和負(fù)壓處的氣穴指數(shù)分別是1.414和1.102，查水利計(jì)算手冊可知不平整度小于10，發(fā)生氣蝕的可能性較小。安全起見，仍建議施工時(shí)嚴(yán)格控制平整度[10]，以防氣蝕帶來的破壞，壓力分布見圖8。

圖8 修改體型溢洪道特征水位測壓管水頭線示意(m)

4.4 消力池消能分析

優(yōu)化體型將消力池段由二級改為一級。為分析消力池消能情況，對水躍的消能率進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中Kj——水躍消能率；ΔHj——水躍段的消能量；H1、H2——躍前與躍后斷面的總水頭。

經(jīng)分析證明，水躍消能率乃是佛汝德數(shù)Fr1的函數(shù)。Fr1越大，效能率越高。計(jì)算可知，30年、50年、500年一遇Fr1分別為2.5、3.2、3.2，F(xiàn)r1介于2.5～4.5之間，水躍不穩(wěn)定，Kj小于44%。從試驗(yàn)實(shí)測的流速來看，30年一遇洪水時(shí)消力池前最大流速為13.40 m/s，過消力池后，最大流速降到6.76 m/s，流速衰減50%，其他工況下流速衰減幅度在46%～57%，流速大幅減小，消力池起到了明顯的消能效果。防沖槽前的最大流速為2.96 m/s，低于下游漿砌石抗沖流速。綜合分析，消力池設(shè)置基本合理。

5 結(jié)語

溢洪道堰面及底板高程降低后，溢洪道各工況下泄流能力均滿足了設(shè)計(jì)要求，保證了工程安全。消力池由二級消力池改為一級消力池后，各級流量下消力池的流態(tài)、消能效果均較好，采用漿砌石防護(hù)能夠滿足要求，大大地節(jié)約了工程成本。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，建議對消力池和下游溢洪道翼墻進(jìn)行加高，防止水流翻越翼墻后對翼墻底部基礎(chǔ)的淘蝕。由于水力學(xué)基于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，只憑經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算并不能完全解決水力學(xué)問題。玉陽湖溢洪道合理性布置，就是通過模型試驗(yàn)的反復(fù)驗(yàn)證修改完成的，因此把模型試驗(yàn)和設(shè)計(jì)緊密結(jié)合在一起是非常必要的。