德厚水庫引水隧洞塔式進水口分層取水設計

冉海林+楊必嫻

摘 要：文章以德厚水庫為例，其為大（2）型水利工程，溢洪道設計的合理與否直接關系到水庫的安全。通過水工模型試驗對溢洪道設計方案的合理性進行評價，并根據試驗發現的問題，對溢洪道引渠段左側導墻、陡坡泄槽段及消力池體型進行優化，優化設計后溢洪道布置及體型合理，泄流能力滿足要求，水流流態平穩，消能效果理想。

關鍵詞：德厚水庫；溢洪道設計；水工模型試驗；體型優化

1.工程概況

德厚水庫工程位于云南省文山州文山市德厚鎮，洪水標準按100年一遇（P=1%）洪水設計，5000年一遇（P=0.02%）洪水校核，泄水建筑物消能防沖設計洪水標準按50年一遇（P=2%）洪水設計。水庫泄洪任務由溢洪道和泄洪隧洞承擔，當遇重現期小于等于20年（P≤5%）的洪水時，泄洪任務由溢洪道單獨完成；當遇重現期大于20年（P>5%）的洪水時，泄洪任務由溢洪道和泄洪隧洞共同承擔。

2.溢洪道設計方案

（1）進口引渠段（溢0-065.54m～溢0+000m）：為不等寬平底明渠，底板高程1373.0m，底坡i=0。其中，溢0- 0 65.54m～溢0- 02 8.016m段過水斷面為梯形，邊坡坡比為1： 0. 5，邊墻設置為下潛式，墻頂高程13 81. 0 m～13 74 . 0 m；溢0-028.016m～溢0-018.5m段為漸變段；溢0-018.5m～0+000m段過水斷面為矩形，墻頂水平，高程為1381.0m。

（2）控制段（溢0+000m～溢0+018m）：為無坎平底寬頂堰，堰凈寬6m，堰頂高程1373.0m，低于正常蓄水位4.5m。控制段設一道平板檢修閘門及一道弧形工作閘門。

（3）泄槽段（溢0+018.0m～溢0+328.1m）：過水斷面均為矩形，全長310.1m，由泄槽Ⅰ段、拋物線Ⅰ段、泄槽Ⅱ段、拋物線Ⅱ段及泄槽Ⅲ段組成：

（4）消力池段（溢0+328.1m～溢0+365.6m）：根據地形、地質條件，溢洪道采用下挖消力池底流消能方式。消力池長37.5m，池寬10m，池深3.2m，邊墻高7.5m。

（5）護坦段（溢0+365.6m～溢0+373.1m）：長7.5m，置于沖洪積砂卵礫石層上。

3.原方案水工模型試驗成果及存在問題

為了驗證溢洪道設計的合理性，進行了水工模型試驗。模型試驗依據重力相似準則，采用正態模型，幾何比尺采用1：35。

3.1原方案試驗成果

（1）泄流能力

水工模型試驗成果表明：校核洪水位1380.27m工況下，溢洪道的泄流量為170.9m3/s，比設計泄流量偏小約3%。

（2）水流流態及流速

①溢洪道進口引渠段左側導墻處形成跌水，對水流形成擁堵作用，對泄流量產生一定影響；

②泄槽段沿程水流平順，水深、流速分布基本正常，泄槽段沿程邊墻高度滿足要求；

③校核工況下泄槽Ⅲ段（溢0+283.5m～溢0+323.5m）段流速較大（V=25 m/s～29m/s），水深較淺（h=1.15m～0.6m），空化數σ=0.21～0.24，均小于0.3，存在發生空蝕破壞的可能。

3.2原方案存在問題

①進口引渠段左側導墻（溢0-018.5～溢0-057.5m）設計為下潛式，進口水流在左側導墻處形成跌水，流態紊亂，對入渠水流產生擁堵作用，影響溢洪道的泄流能力。

②陡坡泄槽Ⅲ段存在發生空蝕破壞的可能，需增設摻氣設施。

③力池體型設計不夠合理，池內消能水體不足，消能效果不明顯，不能較好滿足設計消能要求。

4.溢洪道體型優化

4.1引渠段左側導墻體型優化

為了使進流不形成跌落阻流，增加泄洪能力，將進口引渠段左側下潛式導墻修改為半徑R=10m的圓弧形導墻，墻頂水平，與控制段前引渠邊墻同高，為1381.0m。圓弧導墻前不再設置導墻，開挖后與引渠底板高程同高，為1373.0m。

4.2泄槽段增設摻氣設施

為防止陡坡泄槽Ⅲ段發生空蝕破壞，將原溢洪道底板拋物線Ⅱ段修改為半徑R=85m的圓弧曲線，圓弧起點樁號為溢0+251.50m，底板高程為1349.614m，圓弧末端樁號為溢0+268.214m，末端以摻氣跌坎（坎高1.125m）+平臺（順水流向寬1.194m）的摻氣設施與泄槽Ⅲ段銜接。縱剖面體型見圖1所示。

4.3消力池體型優化

由原設計方案模型試驗可知，消力池主要問題在于體型尺寸不足，發生水躍溢出消力池的現象。通過布置研究，因受地形條件限制，消力池長度無加長條件。結合消力池所在河床下伏基巖下潛走勢將原設計平底消力池調整為斜坡式消力池，消力池底板高程1311.689m～1307.5m，邊墻高度7.31m～11.5m。調整后既保證了消力池全部基礎座落于基巖上，同時又加大了池深，增加了水墊深度與消能水體，具有良好的消能效果。此外，結合消力池左側邊墻緊臨德厚河的有利條件，在消力池前段左側邊墻留一缺口，缺口頂高程高于原河床2.5m，水庫設計洪水及以上工況時泄洪隧洞下泄水流經缺口可進入消力池內，增強了水流紊動，消能效果理想。

5.設計優化后模型試驗驗證

5.1泄流能力

引渠段左側導墻體型優化后，入渠水流平順，未出現水流擁堵現象，泄洪能力滿足調洪下泄流量要求并具有約3%的超泄能力。模型試驗溢洪道泄洪水位～流量關系成果見表1。

5.2水流流態

進口引渠段左側導墻體型優化后，泄流水面平順，貼壁良好，進口引渠段水面跌落小，流態理想。陡坡泄槽段設置了摻氣跌坎后，形成摻氣空腔，圓弧段動水壓力較小，前段壓力不大，其后壓力逐漸增加，各個工況下沿程均未出現負壓，摻氣保護作用效果明顯。消力池內壓力較大，流速較小，水流摻氣明顯，不會發生空蝕破壞。

在設計洪水工況（設計工況下泄流量與消能防沖工況下泄流量同為104m3/s）及日常局開運行工況下，消力池內水流流速不大且可見大量摻氣，水躍形態良好，水流紊動強烈，消能效果理想。消力池體型優化后，不但滿足了消能防沖工況下的消能要求，而且還大大改善了校核洪水工況下池內流態，消能效果明顯，提高了消能率。

6.結語

（1）進口引渠導墻體型設計的合理與否，直接影響溢洪道的泄流能力。《溢洪道設計規范》（SL253-2000）中指出2倍堰前水深長度以遠的導墻可設置為下潛式，建議設計人員在采用時，慎重選擇導墻體型，確保水流入渠平順，防止產生跌落阻流現象。

（2）在泄槽流速高、空化數小的陡坡段，宜設置摻氣設施，通過試驗，泄槽由緩變陡可采用與拋物線相近的圓弧曲線銜接，曲線末端設置跌坎+平臺的摻氣設施，該種摻氣設施施工簡單，摻氣效果良好，可有效防止空蝕破壞。

（3）溢洪道消能工體型應充分結合其所處地形、地質及外部條件進行優化設計，可達到事半功倍的效果。

（4）經驗公式計算結果與模型試驗成果間存在一定差異，大型工程及水力條件較復雜的中型工程，水工模型試驗驗證是十分必要的。

（5）通過水工模型試驗，對德厚水庫溢洪道引渠段左側導墻、陡坡泄槽段及消力池體型進行修改與優化。經優化設計后溢洪道布置合理，體型滿足各工況泄流要求，在各典型工況下，溢洪道水流流態平穩，消能效果理想。

參考文獻：

[1]符鋒，冉海林，等.《云南省文山州德厚水庫工程初步設計報告》[R].云南省水利水電勘測設計研究院，2015.

[2]沈煥榮.《云南省文山州德厚水庫工程溢洪道及泄洪洞水工模型試驗研究報告》[R].四川大學，2015.