復雜水流的彎道溢洪閘設計與研究

王星梅王 鑫劉倩怡李甲榮

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005 2.河海大學港口海岸與近海工程學院南京 210098）

復雜水流的彎道溢洪閘設計與研究

王星梅1王 鑫1劉倩怡2李甲榮1

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005 2.河海大學港口海岸與近海工程學院南京 210098）

盱眙山洪水庫溢洪閘下游泄槽段平面上為彎道，立面上水流有較大落差，水流條件復雜，泄槽結構布置及設計難度較大。本文結合山洪水庫溢洪道水工模型試驗成果，著重對各種工況下溢洪道泄槽轉彎段的布置及消能進行設計與研究，并與泄槽直線段對比分析，進一步闡明在各種復雜工況下泄槽轉彎段內設置導流墩的必要性及其合理的布置方式以及出口消能設施的效果，以實現山丘區中高水頭彎道溢洪道在過流、消能防沖等設計方面安全可靠、經濟合理，為其他水庫溢洪道設計提供有益的參考。

溢洪道 泄槽 轉彎段 模型試驗 導流墩 水流流態

1 工程概況

山洪水庫位于江蘇省盱眙縣桂五鎮境內，是一座集防洪、灌溉與水產養殖于一體的中型水庫。水庫建成于1959年，1960年攔洪蓄水，主要建筑物有均質粘土壩、溢洪道、灌溉輸水涵洞。為了充分發揮水庫功能，2011年山洪水庫被列為國家大中型水庫加固除險工程項目，擬對水庫樞紐的主要建筑物大壩、溢洪道、輸水涵洞等工程進行除險加固處理。其中拆建溢洪道為其建設內容之一。山洪水庫溢洪道設計洪水位時最大泄量100m3/s，校核洪水位時最大泄量140m3/s，閘室總凈寬15m，共3孔，采用平板直升鋼閘門，配3臺2×80kN雙吊點卷揚式啟閉機。

2 工程特點及技術難點

2.1工程特點

（1）山洪水庫洪水調度原則：興利水位、汛期水位、洪水起調水位均為60.0m，超過20年一遇泄水建筑物全開敞泄，否則控泄100m3/s。

（2）現狀溢洪道下游泄槽段平面上為彎道呈直線—圓弧形布置，轉彎角度較大（約60°），易產生較大離心力，同時立面上水流有較大落差，約7.2m，易產生較高水流沖擊波，影響水流流態，使得水流條件較復雜。

（3）現狀溢洪道下游消力池末端有較大沖坑，彎道外側頂部也有沖刷，說明溢洪道水流條件較差。

2.2技術難點

（1）應根據洪水調洪演算成果、泄洪能力、施工及管理方便等因素進行無閘控制溢洪道與建閘方案技術經濟比較。

（2）由上述工程特點可知溢洪道水流條件復雜，泄槽轉彎段結構布置及設計較為困難。

（3）對于平面為彎道、立面水流有較大落差的溢洪道泄槽段水力計算缺乏理論計算公式，設計中應結合地形、地質及現狀溢洪道運用情況，進行必要的物理模型試驗，優化溢洪道泄槽轉彎段的布置，以改善溢洪道水流條件。

3 主要設計方案

3.1溢洪道重建方案比較

拆建后結合現狀地形對溢洪道進行布置，擬定兩個方案。方案一：溢洪道采用開敞式實用堰結構，堰頂高程60.00m，根據調洪計算堰頂寬度需50m；方案二：溢洪道采用帶閘控制結構，閘室分3孔，每孔凈寬5m，寬頂堰閘室底板高程58.00m，閘門頂高程60.50m。汛限、興利水位60.00m不變，泄洪能力相當，經比較，綜合考慮兩個方案溢洪道（閘）的泄洪能力、管理運行和調度方便、工程量和造價經濟、工程布置合理、施工難度等因素，最終選擇方案二。

3.2溢洪道主要設計方案

新建溢洪閘由上游連接段、閘室控制段、一級消力池、泄槽段、二級消力池及海漫段組成，全長172m。新建上下游護坦，拆建溢洪道兩側擋墻及消力池，疏浚尾水渠長250m。閘底板3孔一聯，順水流方向長12.50m，閘墩頂高程62.00m，閘身采用開敞式寬頂堰型鋼筋混凝土U型結構。根據水面線和消能計算，結合實際地形和水頭設二級消能，消力池長度分別為16.40m、29.10m，深1.40m、1.60m，中間泄槽段平面上呈直線—圓弧形布置，轉彎角度60°，落差7.2m，擋水墻高4.2~5.8m，由于彎道段橫向水面差較大，在泄槽圓弧段邊墻內等間距設置4道導流隔墩，導流墩高2.2m，厚0.30m，以改善水流流態。詳見圖1。

圖1 山洪水庫溢洪道平面布置圖（原方案-4道導流墩方案）

4 物理模型試驗優化成果

山洪水庫溢洪道下游泄槽段平面上為彎道，立面上水流有較大落差，水流條件復雜，泄槽段結構布置及設計較為困難。由于受計算公式、計算模式、各種參數選取的準確性以及數值模擬方法的局限等原因，理論計算和數值模擬計算成果與實際差距較大，尤其針對該項目復雜水流情況，消能效果及水流流態成果不能更好地反映實際情況，適合做物理模型試驗。該項目物理模型試驗重點研究各種工況下溢洪道泄槽轉彎段水流形態，與泄槽直線段對比分析，論證泄槽段內設置4道導流墩的必要性及其合理的布置方式；同時研究分析溢洪道出口消能設施效果，用于驗證設計的合理性，從而得出溢洪道泄槽轉彎段合理的結構布置型式以及最經濟合理的消能設計，為工程的安全和優化設計提供科學依據。

模型幾何長度比尺（原型/模型）為30，試驗內容有量測溢洪道的泄流能力、相應的庫水位～流量關系曲線、觀測各種工況下的水流流態、水面線、流速分布、底板沿程中心線及泄槽彎段兩側邊墻的時均動水壓強分布等。

河海大學試驗結果表明：（1）泄流能力可滿足設計要求；（2）在不同泄流工況條件下，一級、二級消力池的尺寸是合適的；（3）通過不同方案的比較試驗，泄槽彎道段設置導流墩是必要的；（4）從工程投資出發并結合水力參數的測量結果，建議原設計4道導流墩改為3道導流墩，同時消力池末端導流墩縮短5.65m，能夠滿足工程要求。水工模型試驗優化成果見圖2～4。

圖2 30年一遇洪水位60.5m，流量95m3/s，溢洪道內流速（3道導流墩方案）

圖3 30年一遇洪水位60.5m，流量95m3/s，溢洪道內水面線（3道導流墩方案）

圖4 山洪水庫溢洪道優化后平面布置圖（推薦方案-3道導流墩）

5 結語

通過以上對盱眙山洪水庫溢洪道設計及模型試驗成果的簡要分析，說明對于該工程水流條件復雜、有較大落差的溢洪道采用兩級消能設計以及彎道泄槽段采用數道導流墩布置方案是必要且合適的，能較好地消減彎道急流沖擊波及折沖水流，有效地減少彎道段橫向水頭差，極大地改善水流條件，出口消能設施效果較好地滿足工程需要，從而實現山丘區中高水頭彎道溢洪道在過流、消能防沖等設計方面安全可靠、經濟合理，為其他類似水庫溢洪道設計提供有益的參考■