冊田水庫溢洪道水力特性物理模型試驗

王挺力，侯振倫，王 暉

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

1 工程概況

冊田水庫位于桑干河中上游，山西省大同縣境內西冊田村北，屬海河流域永定河水系，距大同市60 km，壩址以上控制流域面積16700km3，占下游官廳水庫流域面積38.5%。總庫容5.8億m3，正常蓄水位956.00 m，死水位951.00 m，是一座多年調節的大（Ⅱ）型水庫。大壩為均質土壩，壩頂高程962.00 m，最大壩高42.00 m，水庫主要任務為防洪、灌溉、城市供水以及承擔著“21世紀初期首都水資源可持續利用項目”中為北京市輸水的任務，是山西省唯一一座全國重點防汛水庫。

水庫正常溢洪道位于大壩左壩肩，為岸邊潛孔式正槽溢洪道，包括閘前防滲段、閘室控制段、泄槽段及挑流鼻坎消能段4部分，全長492.7 m。其中，閘前防滲段長18.0 m，寬38.6 m，底高程為943.3 m；閘室控制段長28.0 m，總寬度38.6 m，設4孔帶胸墻的泄洪孔口，孔口寬8.0 m、高6.0 m，閘墩厚2.2 m，溢流堰為無底坎寬頂堰，堰頂高程943.3 m；泄槽段長411.7 m，泄槽凈寬40.0 m，泄槽邊墻高7.0～5.1 m；挑流鼻坎段長35.0 m，為差動式挑流消能，鼻坎頂高程938.9 m，下游為玄武巖地層。

溢洪道現狀為混凝土結構，由于20世紀70年代混凝土施工技術落后，泄槽混凝土壁粗糙不平，同時經多年的泄水運用以及閘門平時漏水，造成混凝土老化加速與凍融破環現象嚴重，致使泄槽部分混凝土剝落，嚴重影響溢洪道正常行洪及其結構安全。

冊田水庫除險加固中正常溢洪道設計（P=1%）泄量2002m3/s，相應的水庫水位為957.65 m，校核（P=0.05%）泄量2 225.6 m3/s，相應的庫水位為960.19 m，下游防洪標準為20年一遇洪水，相應泄量為1 500 m3/s。正常溢洪道加固工程包括：閘室上游側閘墩及兩側導墻、檢修閘與門槽、泄槽邊墻及底板、挑流消能工的改造等。閘室控制段的加固以維持原斷面大小不變為原則，泄槽段邊墻與底板的加固措施為：0-055以下段鑿毛后，掛鋼筋網、打錨筋，再澆筑20 cm厚的C30HF300W4混凝土，加固后泄槽凈寬為39.6 m。對底坡也進行了調整，其中0-055以上為0，0-055～0+002段底坡為0.028 6，0+002～0+200段底坡為0.000 3，0+002～0+250段底坡為0.004，0+250～0.346.7段底坡為0.023 8。其他部分的加固基本上在不改變現形狀尺寸的情況進行。

2 模型設計

冊田水庫正常溢洪道全長為492.7 m，根據試驗場地及供水條件，在滿足試驗任務和要求的前提下，同時考慮首部進水及尾部回水的布置，確定模型幾何比尺為60，模型采用正態模型，按重力相似準則設計。流速比尺為7.75，時間比尺為7.75，流量比尺為27 885.48。

模型最小雷諾數滿足紊流限制條件。依據阻力相似要求，模型糙率比尺為1.98。原型溢洪道為混凝土，底板及邊墻分縫，平均糙率約為0.014，則要求模型糙率為0.007 1。模型全部采用優質有機玻璃加工制作，一般有機玻璃板的糙率在0.007～0.009，模型用優質有機玻璃制作能滿足糙率相似要求，從而滿足阻力相似。

模型由水泵、閥門、模型水庫、溢洪道試驗段、尾水渠、尾水池、回水管和電磁流量計等組成，具體布置見圖1。模型首部設有4.5 m×4.5 m的模型水庫，模型溢洪道試驗段長為8.5 m，為了更好反映首部進水條件，模型首部適當加長，模擬至原體前端斷面。模型試驗的供水采用閉路水循環系統。尾水池的水由水泵抽入模型首部的模型水庫，水流流經溢洪道模型試驗段后，經挑流通過尾水渠，返回尾水池，形成水流循環系統。在連接水泵與尾水池的回水管中部設有電磁流量計，進行流量測量，流量由設在水泵出口的閥門控制。

圖1 模型布置示意圖

3 模型試驗成果及分析

3.1 流態描述

閘室控制段為帶胸墻孔口，根據模型試驗觀測，水位953 m左右是流態由堰流向孔口出流過渡的水位。庫水位低于953 m時，屬于堰流，庫水位大于953 m屬于孔口出流。

水流由水庫進入溢洪道前沿后，水面寬度減小，流速逐漸增大，水面逐漸降低。右岸由于為圓弧翼墻，各流量下水流均表現平穩，進流平順。左岸為分隔正常溢洪道與大同市引水進水口的導墻，導墻較長且墻上設有減壓孔，因此，左岸閘孔前水流流態比較復雜。導墻的存在使得水流不能平順進入閘孔，在導墻前端有明顯的繞流。流量較小時，閘前流速小，繞流較弱,進流平順，閘前左右岸水位差較小；流量較大時，繞流現象劇烈，導墻兩側閘孔一側水位低于大同市引水進水口一側，水位差的存在使得水流經減壓孔流向閘孔一側，在閘前形成明顯的橫向出流，從而使得左側閘孔閘前水流不平順，且水位明顯低于右側孔口。總之，由于導墻和減壓孔的存在，造成了左右岸閘孔進流不均勻的現象。孔流時更為明顯，由于左側閘孔閘前水位低，左側孔口在庫水位達955 m時，才由堰流變為孔口出流。

水流進入閘室段后，流動方向與閘墩基本平行。水流流經閘室控制段后，由于閘墩尾部的影響，在泄槽中形成明顯的菱形沖擊波，并一直在泄槽水流表面存在。在大流量下，整個泄槽水流比較平順，在反弧段前，由于泄槽擴散，水面有一降落，水流經反弧段后，在挑坎處順利挑出。

對于泄槽中水流流態的觀察發現，在泄量約大于500 m3/s的情況下，泄槽中水面線平順，沒有大的突變發生。當泄量小于500 m3/s時，在0+180的變坡點下游，水面開始有微小的雍高。隨著流量的減小，雍高位置向上游推進，當流量為300 m3/s時，在0+075處，發生明顯的波狀水躍，隨著泄量的減小，水面突變點上移，向變坡點靠近。觀察分析認為，盡管發生了水躍，但此時流量小，邊墻高度完全能夠滿足要求，不會對泄槽安全造成威脅。

3.2 溢洪道水位與泄量關系

正常溢洪道閘室控制段為胸墻孔口，試驗結果表明，庫水位低于953 m時為堰流，大于953 m時為孔口出流。圖2為實測的水位流量關系曲線，圖3為根據實測數據擬合的m或u與H的關系。

圖2 水位流量關系曲線

圖3 流量系數m與H的關系曲線

圖4為各設計階段水位流量關系曲線與實測水位流量關系曲線的比較。由圖可見，在堰流流態下，實測點與各水位流量關系曲線吻合良好，而孔口出流流態下，在同一水位下實測流量較設計值偏大。分析認為，設計時按一般孔口出流計算，但胸墻下緣為與流線吻合良好的1/4橢圓曲線，流量系數較一般孔口出流要大一些。從實測水位流量關系曲線可知，溢洪道在下泄設計流量及校核流量時，對應實測水位分別為956.30 m及957.89 m，均小于原設計值，原設計偏于安全。

3.3 水面成果及分析

流量為2 002 m3/s時的溢洪道水面線，見圖5。

圖4 水位流量關系比較

圖5 溢洪道水面線（2 002 m3/s）

由試驗成果可知：

（1）在堰流情況下，由于閘前左岸分隔墻及減壓孔的影響，左岸閘前水面線和閘后一段范圍內水面線均低于右岸。在0+002斷面后左、右岸水面趨于相同，在其后的泄槽內沿橫斷面水深基本均勻。

（2）在孔流情況下，閘前左岸水位低于右岸水位，但流經孔口后，沿橫斷面水深趨于均勻，各流量下泄槽內水面線平順，沒有大的突變發生。

（3）當流量小于500 m3/s時，在0+002變坡點下游，發生波狀水躍現象，水面線發生突變。

（4）在0-065～0-055的擴散段，因為擴散角很小，對水面線的影響不顯著。

（5）在泄槽中，由于沖擊波的影響，左右岸水深不完全相同。

（6）圖3中，水面線與設計資料給出的設計邊墻高度比較可知，小于校核流量時，設計邊墻高度均能滿足下泄流量的要求。但下泄2 400 m3/s流量時，盡管水面低于邊墻，但部分泄槽段邊墻高度不能滿足安全超高要求。

3.4 流速成果及分析

由試驗成果可知：

（1）溢洪道泄槽中各流量下，沿程流速變化不大，最大流速一般出現在兩個較大的變坡點0+002 m和0+346.7 m處。

（2）由于閘前左右岸水流不均勻，右岸水流平順，受此影響，在泄槽上游段，同一斷面位置，右側流速一般均比左側略大。但在泄槽下游段，一般軸線流速與兩岸流速相差不大，基本呈對稱分布。

（3）同一斷面位置，平均流速隨流量的增加而增加。

（4）在垂直分布上，一般表面流速大于底部流速。

（5）校核流量下，泄槽最大流速14.3m/s，斷面平均流速12.29m/s，一般混凝土能滿足抗沖刷要求，發生沖刷破壞的可能性很小。

3.5 泄槽流態分析

通過本次模型試驗中的觀測數據，計算得各斷面Fr數均大于1，表明在設計、校核泄量下，泄槽中水流均處于急流流態。而水躍是在急流向緩流過渡過程中發生的局部水流現象，故在設計、校核流量下，泄槽中不可能發生水躍。

4 主要結論及建議

根據模型試驗成果分析，冊田水庫正常溢洪道除險加固工程完成后，能夠滿足泄洪要求并保證溢洪道安全正常運行。具體結論如下：

（1）溢洪道水位流量關系曲線在堰流流態下與設計計算值吻合良好。在孔流流態下，同一水位實測流量大于設計計算值，表明計算時，μ值取值偏小。實測溢洪道泄流能力大于設計值，設計計算值偏于安全。

（2）溢洪道為胸墻孔口，水位在953 m左右是流態由堰流向孔口出流過渡的臨界狀態。庫水位低于953 m時，屬于堰流，庫水位高于953 m時，屬于孔口出流。由于受閘孔前左側導墻和減壓孔的影響，閘前水流左岸不甚平順，左岸水位明顯低于右岸，從而導致左側孔口在庫水位達955 m時，才由堰流變為孔流。

（3）泄槽內在設計和校核流量下，Fr均大于1，不會發生水躍，而當泄量小于500 m3/s時，泄槽內會發生波狀水躍，且隨著流量的減小，躍前位置更接近0+002斷面。

（4）在設計和校核流量下，泄槽內水面線均小于現有邊墻高度，邊墻能滿足下泄設計和校核流量的要求。

（5）各流量下，泄槽內水流流速符合一般明渠流速分布規律，最大流速14.3 m/s，明渠混凝土被水流沖刷破壞的可能性很小。

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