中咀坡水電站溢洪道彎曲段改造設計試驗研究

周錫發，成應鵬，成紅蓮，謝 龍，李 洋

(1.中鐵五局集團第五工程有限公司，湖南郴州423000;2.重慶交通大學 河海學院，重慶400074;3.重慶市繼興工程監理有限公司，重慶400074)

在現代水利水電工程建設中，溢洪道工程設計的合理與否，將直接影響到其泄流能力和整個水利樞紐運行的安全、穩定性，且用于溢洪道的投資一般高達整個水庫樞紐工程的1/4［1］。因此，做好溢洪道的布局和合理選型，是整個水庫工程設計非常重要的部分。

水電站溢洪道一般都使用開敞式結構。在彎曲段，水流流態非常復雜，由于離向心力的作用，使得凸岸水流向凹岸匯聚，橫向劇烈地沖擊凹岸，造成斷面內流量分布不均，而且由于邊墻轉折，迫使水流改變方向偏離軸線，并在撞擊變強后受其反作用力不斷發生波的反射、干涉與傳播，形成一系列相互交錯、不斷疊加的水流沖擊波，若不妥善采取措施，勢必對溢洪道兩邊壁造成嚴重的沖刷，影響下游水流流態，甚至導致兩岸岸坡坍塌和工程失事［2］。因此，合理地選擇、設計溢洪道彎曲段的布局和機構形式，對溢洪道正常運行和工程量的大小都有十分重要的意義［3］。

1 工程概況

中咀坡水電站為位于重慶市巫山縣境內，壩址位于后溪河與其支流三莊溪匯合口以下約4.0 km的中咀坡處，距巫山縣城公路里程約70 km，控制流域面積118.3 km2，多年平均流量 4.186 m3/s，多年平均徑流量1.32億m3，中咀坡水庫正常蓄水位546.00 m，相應庫容1 491萬m3，總庫容為1 578萬m3，電站裝機容量2 570 kW。按照DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》的規定，中咀坡水電站為3等中型工程，本工程大壩為面板堆石壩，壩高111 m，頂部高程為545 m，頂寬8 m。根據規范規定，永久性主要建筑物大壩、泄水建筑物為2級建筑物，結構安全級別為Ⅱ級;引水系統建筑物、電站廠房、次要建筑物及臨時性建筑物定為4級建筑物，結構安全級別為Ⅲ級。溢洪道的平面布置如圖1。

圖1 溢洪道平面布置Fig.1 Spillway arrangement

2 工程隱患

由于溢洪道基礎絕大部分置于弱風化灰巖上，穩定性較差。再加上彎曲段復雜的水力特性，導致凹岸邊墻受到劇烈的橫向沖擊，局部邊坡甚至出現崩塌。同時，由于在溢洪道彎曲段水流流態惡劣、沖擊波疊加嚴重，導致各斷面內水流分布不均、左右兩側受力特性不對稱，不僅不利于溢洪道的結構穩定和安全運行，還嚴重干擾了下游各銜接斷面的水流流態。工程竣工運行后，無法保證水庫的安全泄洪［4］，存在著一系列的安全隱患。

3 溢洪道彎曲段改造設計

眾所周知，當水流進入彎道段后，會在溢洪道邊壁的引導下順著中軸線做曲線運動，自然會產生指向溢洪道外側的離心力，水體為抵消離心力會有向凹岸運動的趨勢，造成兩岸水流橫向運動、水體分布不均，使得水流流態紊亂。溢洪道的曲率越大，其水流紊亂度也越大［5］。

中咀坡溢洪道段縱坡i=0.1，彎道中軸半徑為120 m，屬于典型的緩彎結構［6］。當水流進入彎曲段時，水流互相衍射、干涉，形成明顯的水流沖擊波，并與彎道段離心力共同作用于水體，使其向凹岸匯聚，形成彎道內左右兩側較高的水位差，產生回流、亂流等惡劣流態。因此，為改善整個溢洪道的水流流態，重點在于對彎曲段重新進行合理設計，減小其橫向水位差，使各斷面內流量分布趨近均勻，消減或抑制沖擊波。

彎曲段的水利設計方法很多，比較而言，復曲線法，其布置對水流條件變化的適應性較廣，但由于中咀坡電站橫斷面寬度較小，不利于變化較大復雜曲線的布置;對于斜底坎法，由于斜底坎的阻水作用，彎道水流壅水很高，有類似脫離底面的現象，而且水流中摻雜了大量氣泡。考慮到此位置位于隧洞中，其產生的大量氣泡會不利于工程;具體到渠底超高法與導流墻法，前者由于水流重力沿橫向坡度產生的分力與彎曲段水體的離心力相平衡;后者阻擋了水流向凹岸側匯聚，削弱了環流等不利流態，效果十分明顯，且具有施工方便，工程造價低等優點，被廣泛應用于實際水利工程中。結合該水庫溢洪道的實際情況，考慮采用渠底超高法及導流墻法改善溢洪彎曲段水流流態及減輕或消除沖擊波對下游的不利影響。

3.1 渠底超高布置

在彎曲段的橫剖面上，將外側渠底抬高，從而形成一定的橫向坡度，對內側的水流匯入產生阻礙作用，同時，利用抬高水體重力沿橫向底坡產生的分力，抵消部分離心力，以調整橫剖面上的流量分布，使之均勻，改善流態［7］，減小沖擊波和保持彎曲段水面的穩定性。凹岸底板抬高值Δh可按經驗公式(1)計算：

式中：k為經驗系數，根據上游來流量大小以及彎道曲線連接形式取 0.5～1.0，本工程取 0.75;b為溢洪道寬度;R為溢洪道彎道中軸曲率半徑。

根據式(1)，當彎曲段弧頂處橫向底板高程差達到最大值2.61 m時，渠底正超高法效果最好。考慮到與彎曲段進口與彎曲段出口的底板銜接，以及盡量降低彎曲段外側的水位高程以縮減邊墻的工程量等因素，并綜合考慮設計的超高方案施工的可行性，通過系列優化試驗，最終推薦最大超高值2.6 m方案，推薦方案彎曲段底板高程變化見表1。

表1 彎曲段內底部沿程高程Table 1 Recommended scheme for the bottom bend in the path elevation

3.2 導流墻布置

為了消除彎道段因重力引起的橫向水面差，考慮在彎道段底板設置擋墻，以阻礙水流的橫向運動。導流墻的出現，將溢洪道分為了內外兩個水槽，為使內、外槽流量大致相等，一般布置在彎道軸線上。在實際工程中，導流墻的材質普遍使用鋼筋混凝土。

當下泄流量較小，溢洪道內水深低于導流墻高度時，導流墻完全阻隔了內、外槽水流的運動，當下泄水流較大時，槽內水流漫過了導流墻，但底部的大部分水流仍受到阻擋，不能自由地橫向流動，使導流墻起到了歸順水流，改善彎道內水體分布結構，優化內外兩槽分流比的作用。

導流墻的高度和寬度是其設計的重點［8］，在實際應用中，導流墻高度不夠，會影響導流的效果，不能很好的調整彎道內的水流結構，導流墻的寬度太窄，會影響導流墻承受兩側水體壓力的穩定性，給工程帶來隱患，同時，增大導流墻的高度和寬度會增大工程量，增加施工成本。在設計階段，導流墻的高度一般取彎道段入口水深的0.3～0.5倍，寬度取彎道段入口水深的0.1～0.2倍。結合以往經驗和工程實際情況，將導流墻布置在彎道段軸線上，墻體采用采用C25鋼筋混凝土結構，高3 m，寬2 m。渠底超高結合導流墻的布置見圖2。

圖2 彎道段改造方案Fig.2 Corner period of reconstruction scheme figure

4 模型試驗結果分析

從模型試驗成果來看，改造方案下整個溢洪道流態有了明顯好轉，從表2的實測數據來看，改造方案下左右兩側水深略有增加，流速小幅下降，提高了溢洪道運行的穩定性。從左右岸的水深、流速差來看，凹岸的最大水深有所降低，凸岸的最小水深有所增加，兩岸橫向差值有所下降，減少了彎曲段內的水流橫向運動。

表2 原方案及改造方案彎曲段水深流速分布(設計工況下)Table 2 Original and improved plan for bending water velocity distribution(the design condition)

試驗結果表明：采用改造方案后，水流進入彎曲段后，斷面橫向水深、流速差值減小，流量分布趨于均勻;整個溢洪道彎曲段水深增加，流速減小，有利于溢洪道的穩定運行;兩側邊壁沒有明顯的壅水，彎曲段內相互交錯的沖擊波被有效的抑制，水流流態有了明顯的改善。

筆者推薦方案在原址上進行了優化改造設計，只需在彎曲段凹岸側抬高底板和邊墻，并在中軸線處增設導墻，沒有拆除工程，減小了施工難度，節約了開支。

5 結語

水庫溢洪道彎曲段的流態十分復雜，其結構形式的優劣直接影響到下游泄槽的流態，消能設施的工作效率，以及工程運行的安全穩定性，其合理的形式是設計的重點和難點，筆者通過對中咀坡水工試驗模型研究，探討出渠底正超高結合導流墻的布置方案，起到了均勻分布斷面內流量，抑制急流沖擊波，改善彎曲段水流流態，提高下游消能效果的良好作用，對其他類似工程有著重要的參考價值。

［1］SL 253—2000溢洪道設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.SL 253—2000 Spillway Design Specification［S］.Beijing：China Water Conservancy and Hydropower press，2000.

［2］田嘉寧，安田陽一，李建中.臺階式泄水建筑物的消能分析［J］.水力發電學報，2009，28(2)：96-100.Tian Jianing，Yasuda Youchi，Li Jianzhong.Energy dissipation on stepped sluicing structure［J］.Journal of Hydroeleetric Engineering，2009，28(2)：96-100.

［3］王世夏.水工設計的理論和方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2000.Wang Shixia.Hydraulic Design Theory and Method［M］.Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2000.

［4］宋永嘉，田林鋼，李河.溢洪道進水渠進口形式試驗研究［J］.人民黃河，2005，27(9)：56-57.Song Yongjia，Tian Lingang，Li He.Experimental research on entrance channel form of spillway［J］.Yellow River，2005，27(9)：56-57.

［5］王紹成.河流動力學［M］.北京：人民交通出版社，1991.Wang Shaocheng.River Dynamics［M］.Beijing：China Communications Press，1991.

［6］胡鵬飛，袁觀棟.劉家溝水電站溢洪道進口導墻體型優化試驗研究［J］.吉林水利，2011，25(1)：25-27.Hu Pengfei，Yuan Guandong.Experimental research on form optimization for guide wall near the spillway entrance channel of Liujiagou hydropower project［J］.Jilin Water Resources，2011，25(1)：25-27.

［7］胡鵬，胡江.中咀坡水電工程溢洪道水工模型試驗研究［J］.重慶交通大學學報：自然科學版，2010，29(5)：813-815.Hu Peng，Hu Jiang.Experimental study on the hydraulic model of spillway in Zhongzuipo hydroelectric power projects［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2010，29(5)：813-815.

［8］王玄，王均星，崔金秀.龍背灣溢洪道進水渠導水墻體型優化試驗研究［J］.中國農村水利水電，2009(7)：100-102.Wang Xuan，Wang Junxing，Cui Jinxiu.Experimental research on form optimization for guide wall near the spillway inlet of Longbeiwan hydropower project［J］.China Rural Water and Hydropower，2009(7)：100-102.