蓮花寺水庫泄洪建筑物模型試驗成果分析與優化設計

□李 艷 □張彩雙 □何 楠（黃河勘測規劃設計有限公司）

1 工程概況

蓮花寺水庫位于葫蘆河中游太白鎮蓮花寺河段，壩址控制流域面積1566km2，河長67.60km。樞紐建筑物從左岸到右岸依次為均質土壩、表孔泄洪閘、底孔泄洪排沙閘、混凝土重力式擋水壩段等建筑物，壩頂總長度178.50m。蓮花寺水庫最大壩高25.50m，工程等別為Ⅳ等，工程規模為小（1）型。正常蓄水位1147.00m，正常蓄水位以下庫容594 萬m3；校核洪水位1147.98m，總庫容698 萬m3；死水位1140.00m，死庫容85 萬m3。

設計洪水標準為30年一遇，相應洪峰流量為303m3/s；校核洪水標準為300年一遇，相應洪峰流量為711m3/s。消能防沖設施洪水標準采用20年一遇，相應洪峰流量為240m3/s。見表1。

表1 水位-泄量關系曲線表

2 泄洪建筑物模型試驗與優化設計

2.1 泄洪建筑物初步設計方案及模型試驗的提出

蓮花寺水庫初步設計階段初步擬定泄洪壩段布置在河床左岸靠近主河槽，底孔泄洪排沙閘布置在混凝土擋水壩段右側，設1 孔，過流凈寬5.00m，邊墩厚度為2.00m，進口高程1134.00m，孔口尺寸5.00m×5.00m（寬×高）。表孔泄洪閘位于底孔泄洪排沙閘右側，均質土壩左側。表孔泄洪閘堰頂高程1142.00m，采用WES 型堰型，堰頭曲線采用雙圓弧曲線，方程為y=0.1372 ×x1.823，定型設計水頭Hd=5m，堰面下接坡面坡度為1：1.16。出口采用底流消能方式。堰頂溢流面設置兩孔，單孔凈寬5.00m，邊墩厚及中墩厚度均采用2.00m。

理論設計計算泄流能力、下游消力池尺寸等均滿足要求，但實際運行時不同水位情況下的泄流能力、水流流態、是否設分隔墩、下游漿砌石海漫效果以及各級流量下消力池內水躍發生位置，理論計算很難確定，需要結合水工模型試驗加以驗證并進行優化設計。

2.2 泄洪建筑物初步設計方案的模型試驗結論與分析

對一級消力池的試驗研究，其主要結論有以下幾點：

2.2.1 針對流態而言

在各試驗工況條件下消力池中均發生了強烈的水躍現象，消力池中流態紊亂，水流主體上往下游流動，在表面有明顯的回流產生，水流摻氣明顯，摩擦消能充分。在無隔墩時消力池中的流態在邊界條件的控制范圍之內，縱向上水躍的影響長度不會超過消力池；但是在有隔墩時消力池中水流縱向上超過消力池，橫向上漫過邊墻，不利于建筑物的正常運行。因此從流態而言隔墩方案應該給予否定。

2.2.2 針對土石壩壩坡腳處的流態

在設計水位和校核水位下其水深波動范圍分別為0.70～1.28m和0.90～1.43m，水流流速均很小，不會對土石壩壩坡腳形成沖擊作用。

2.2.3 消力池中，水面線分布呈現先上升，再持平，后下降的變化規律

在無隔墩時，各工況條件下水面線均低于邊墻的高程，最高水面線達邊墻的2/3 處。在有隔墩時，底孔出流會有水流漫頂現象產生，在水流波動較大的位置水面線高于邊墻高程。

2.2.4 針對流速分布而言

在各工況條件下消力池中流速分布規律性不強，表層水流受回流的影響，其流速小于底部流速。在無隔墩時，由于水流互相充分擴散和摩擦，因此流速較有隔墩情況時要小；在有隔墩時底孔出流流速較大，最大可達17.00m/s，對消力池的沖擊較為嚴重，還有可能帶來空蝕空化的問題。

2.2.5 針對壓力分布而言

在各工況條件下消力池中均未出現負壓，壓力值整體不大，且壓力分布規律明顯。在消力池的前端由于水躍強烈和明顯，因此壓強波動明顯，之后水流逐漸穩定，壓強波動大幅減輕。對比有無隔墩兩種情況，有隔墩時壓力值較無隔墩情況有所增大，這是因為隔墩的存在導致消力池中水深略有增大，靜水壓力變大。同時無隔墩時壓力沿程波動較小，有隔墩時壓力沿程波動較大。

2.2.6 針對消力池的消能率而言

在設計水位條件下消力池的消能率為30.50%～42.50%，在校核水位條件下消力池的消能率為43.50%～57.50%。在各工況條件下隔墩結構不利于消力池的消能，無隔墩時消能率均大于有隔墩時的消能率。

為了充分利用壩下游原有的砌石壩，在一級消力池后采用漿砌石海漫接原來的砌石壩，形成二級消力池。模型試驗中，基于二級消力池為漿砌石海漫或者深齒墻鉛絲籠的不同結構，分別從流態分布以及流速大小兩個方面的水力特性進行研究。試驗認為兩種結構的二級消力池對防止砌石壩以及下游河道的沖刷效果差異不大，整體而言認為鉛絲籠結構更有助于保護消力池等建筑物的安全。

2.3 優化設計方案

根據原始方案的比選，發現無隔墩方案對整個消力池的消能更有利。但是從單開底孔時可以看出，消力池原體型存在一些不足，主要表現在消力池末端流速較大，水躍的影響范圍基本快超過消力池末端，在二級消力池處的水面波動較大。究其原因，是因為底孔與消力池銜接的1:4 的斜坡段縮短了消力池的有效長度，導致水流消能不足。根據以上幾點，提出優化方案如下：將底孔與消力池之間的銜接改為圓弧銜接，與表孔一致。

從優化方案一可以看到，左側擋墻對底孔水流的橫向擴散起到了阻礙作用，如果將左側擋墻改為喇叭式出口，消力池長度也許可以縮減。根據這些分析，在第一次優化的基礎上作出如下所示的優化方案二：

將消力池左側的擋墻改為擴散角為5.71°的喇叭式出口，一直擴散至壩下0+045.00m，擋墻后面部分為原來邊墻直接往左側平移2.00m。將原來消力池往上游縮短19m，兩岸邊墻作相同長度的縮短。原有消力池的后面19m 長度范圍填為1130.00m 高程，與兩岸地形以1:1 斜坡銜接。

2.4 優化設計方案模型試驗結論

在蓮花寺水庫水工模型試驗的基礎上，試驗針對溢流表孔和沖沙底孔的泄流能力、一級消力池和二級消力池的消能率進行了研究。在此基礎上，注意到原始方案中的一些不足之處，進行更進一步的研究，提出第一、二次優化方案，通過對比分析，得出最終的優化方案。試驗結論和建議如下：

第一，針對溢流表孔和沖沙底孔進行過流能力試驗，試驗結果表明表孔和底孔的過流能力均大于理論計算值，滿足工程實際過流的需要，能夠確保整體水工建筑物的安全運行。

第二，在設計水位及校核水位下，閘門進口無進氣漩渦以及其他威脅建筑安全的水流現象產生，僅在土石壩處產生橫向水流，該流速最大在1.20m/s 左右，不會影響土石壩的安全。但是需要注意，底孔盡量避免在水位1142.79～1143.79m 時泄水，此時會產生間歇性的進氣漩渦。

第三，一級消力池的試驗中，在各試驗工況條件下消力池中均發生了強烈的水躍現象。消力池中流態紊亂，水流摻氣明顯，摩擦消能充分，伴有明顯的回流產生。有隔墩和無隔墩條件下試驗現象差別較大，綜合考慮流態、水面線、壓力、消能率等因素，認為隔墩結構不利于整個消力池的正常運行和提高消能率，否定有隔墩方案，不設置隔墩。

第四，關于消力池的尺寸問題，分別以三種方案的對比來進行說明。從水躍的影響范圍來看，原始方案在斷面（0+079.084）左右，第一、二次優化方案均在斷面（0+079.084）之前。從水面線的分布來看，優化方案二水面線最低，其次是原始方案，優化方案一最高。綜合考慮，優化方案二最好，能夠既保證較短的水躍影響范圍又能避免消力池內產生過高的水流躍出邊墻。

第五，對于二級消力池（即海漫），三種方案對比可以得出，優化方案二流速最小，有利于減弱水流對其沖刷作用。所以宜采用優化方案二并且保留原有砌石壩。

第六，從消能率方面來看，原始方案消能率在50%左右，優化方案一與優化方案二均在70%左右，優化方案一的消能率略大于優化方案二的消能率。但是從經濟性上考慮，縮短19m 長度的經濟效益下，優化方案二比優化方案一略小的消能率是可以接受的。

第七，土石壩壩坡腳處，原始方案與優化方案一的水深波動范圍均為0.70～1.43m，優化方案二的水深波動范圍是0.70～1.85m，但是三種方案下水流流速均很小，不會威脅土石壩安全。

第八，從整個試驗來看，砌石壩的存在有利于雍高消力池末端水位，提高躍后水深，使水躍發生斷面提前，進而使消能更充分。它的存在有效地保護了二級消力池（即海漫段），所以建議保留砌石壩。

第九，數值模擬主要研究了特定工況條件下水面線和流速分布的規律，結果與物理模型的試驗結果相一致。總體來講，優化方案二是最合適的方案。

第十，通過第一、二次優化方案的物理模型和數值模型的研究，最終的優化方案為：將底孔與消力池之間的銜接由原來的1:4 斜坡段改為圓弧銜接；將消力池左側的擋墻改為擴散角為5.71°的喇叭式出口，一直擴散至壩下0+045.00m，后面部分為原來擋墻直接往左側平移2.00m。將原來消力池往上游縮短19m，對應的邊墻作相同長度的縮短。汛期壩后水位較高，高于現有的土路高程，將會沖刷土路，為了使水流平順通過下游的溢流砌石壩流向下游，建議將均質土壩后的土路加高至1138.00m。

蓮花寺水庫泄洪建筑物設計是理論設計→水工模型試驗驗證→分析研究→優化設計→水工模型試驗驗證一系列逐步優化的過程。對理論設計中無法確定的問題經模型試驗去驗證，也為今后相關的設計提供參考依據。蓮花寺水庫優化過程也證明了，理論計算中的泄流能力滿足要求，但理論計算無法準確計算出水流擴散角度。通過試驗，取消中隔墩后，消力池長度減短，水流不會漫過邊墻，消能率較高。左側邊墻采用擴散邊墻后，水流較平順。

[1]黃河勘測規劃設計有限公司.甘肅慶陽葫蘆河蓮花寺水庫工

3 試驗結論與思考

程初步設計報告[R].鄭州：黃河勘測規劃設計有限公司，2015.

[2]水利部天津水利水電勘測設計研究院.溢洪道設計規范（SL253-2000）[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[3]水利部水利水電規劃設計總院.水工設計手冊（第7 卷）：泄水與過壩建筑物(第2 版)[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[4]武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室.水力計算手冊(第二版)[M].北京：中國水利水電出版社，2006.