西藏湘河水利樞紐泄水建筑物泄流能力模型試驗研究

于 凱，孫 宇，馮云龍

(南京水利科學研究院 江蘇科興項目管理有限公司，南京 210029)

1 概 述

泄洪建筑物是水利樞紐工程的重要組成部分，泄洪建筑物的泄流能力對工程的安全使用起著十分重要的作用。賈紅娟等[1]通過模型試驗對某水庫泄洪流態進行分析，對消能體型設計提出建議；楊長春等[2-3]結合夾巖水庫工程，對水庫的泄洪、消能結構設計進行研究，泄流能力可滿足要求；黃智文[4]結合巴利爾斯水電站工程，利用Fluent軟件對溢洪道水力特性進行分析，結果與物理模型試驗結果較為吻合；張軍等[5]利用模型試驗，對樓莊子水庫的泄洪建筑物進行優化設計，優化后方案具備良好的泄洪能力；熊義貴等[6]利用模型試驗對吉爾格勒德側槽溢洪洞設計合理性進行分析，采用臺階式消能，保證了消能泄洪效果。物理模型試驗是常用的科研方法，結合湘河水利樞紐工程，利用模型試驗對其泄洪建筑設計可行性進行分析。

2 工程概況

湘河水利樞紐工程泄洪規模較大，百年一遇設計洪峰流量經過調洪后為1 018 m3/s，2000年一遇設計洪峰流量為1 701 m3/s，百年一遇(含百年)以下的洪水都要通過溢洪道下泄，泄洪洞和導流泄洪洞是初設階段的主要泄洪建筑物。溢洪洞布置在河流左岸，溢洪洞軸線平面與導流泄洪洞軸線平行，軸線間距20 m，總長919.42 m，其中引水渠長135.32 m，控制段長25 m，洞身段長390 m，消力池長80 m，池后接長299.10 m的海漫。導流兼泄洪洞總長883.19 m，布置于左岸山體內發電洞左側，由導流洞后期改造為無壓泄洪洞，軸線與溢洪洞軸線平行，軸線間距20 m。

3 不同工況流速、流態及水面線

3.1 50年一遇洪水工況流速、流態及水面線

50年一遇洪水下泄流量為906.44 m3/s時，溢洪洞單獨泄洪，上游庫水位為4 100.38 m。上游庫區水面平穩，水流進入溢洪洞進口段時右邊墻有明顯繞流，引水渠內形成漩渦水流不平穩，進口平均底流速5 m/s，呈現右小左大的趨勢，堰頂的平均流速為11.25 m/s。出孔水流沿中墩中心線挑起形成水翅，水翅高4.8 m、長18 m。泄槽段的流速逐漸增大，水面波動較大，水流時而翻過右側邊墻。水流經過泄槽拋物線的連接處進入消力池流速較大，最大流速為27 m/s，消力池前26 m處形成急流區，后半段形成不完整水躍，消力池后部分翻滾比較劇烈最高水位高出邊墻1.57 m，消能效果不夠理想。海漫段水流有所波動，0+324.95 m處的最大流速為6.95 m/s，0+384.95 m處的最大流速為5.64 m/s，0+441.45 m處的最大流速為5.31 m/s，海漫出口處的流速為4.27 m/s。受左側導堤影響，下游水流主流區位于河道中間，有利于下游防護。見圖1。

圖1 溢洪洞流態(50年一遇洪水工況)

3.2 百年一遇洪水下的流速、流態及水面線

百年一遇洪水下泄1 017.59 m3/s時，溢洪洞單獨泄洪，上游庫水位為4 101.18 m。上游庫區水面平穩，當水流進入溢洪洞進水段時右邊墻繞流嚴重，引水渠內形成漩渦水流不平穩，平均底流速5.6 m/s，呈現右小左大的趨勢，堰頂的平均流速為11 m/s。出孔水流沿中墩中心線挑起形成水翅，水翅高4.8 m、長19 m。泄槽段的流速逐漸增大，水面波動較大，水流時而翻過邊墻。水流經過泄槽拋物線的連接處進入消力池流速較大，最大流速為27.3 m/s，消力池前29 m處形成急流區，后半段形成不完整水躍，消力池后部分翻滾比較厲害最高水位高出邊墻3 m，消能效果不夠理想。海漫段水流有所波動，海漫段0+324.95 m處的最大流速為8.30 m/s，0+384.95 m處的最大流速為6.38 m/s，0+441.45 m處的最大流速為6.21 m/s，海漫出口處的流速為4.18 m/s。受左側導堤影響下游水流主流區位于河道中間。見圖2。

圖2 溢洪洞流態(百年一遇洪水工況)

3.3 校核洪水位下的流速、流態及水面線

校核洪水位工況下上游來流為2 017.6 m3/s，溢洪洞與導流泄洪洞聯合泄洪，其中溢洪洞過流1 260 m3/s，導流泄洪洞過767.6 m3/s，上游庫水位為4 102.84 m。上游庫區水面平穩，當水流進入溢洪洞進水段時右邊墻繞流嚴重，引水渠內形成漩渦水流不平穩，平均底流速6.76 m/s，呈現右小左大的趨勢，堰頂的平均流速為13.64 m/s。泄槽段的流速逐漸增大，水面波動較大，水流時而翻過邊墻。水流經過泄槽拋物線的連接處進入消力池流速較大，最大流速為30 m/s，消力池前42 m處形成急流區，后半段形成不完整水躍，消力池后部分翻滾劇烈最高水位高出邊墻5 m，消能效果不夠理想。海漫段水流波動較大，水流極易翻出左岸，導堤海漫段0+324.95 m處的最大流速為11.59 m/s，0+384.95 m處的最大流速為6.72 m/s，0+441.45 m處的最大流速為4.14 m/s，海漫出口處的流速為5.5 m/s。

溢洪洞出口為無壓流，出口水面高4 057.39 m，最大底流速19.64 m/s。水流在消力池內未形成完整水躍，消力池后部分翻滾比較劇烈最高水位高出邊墻4.6 m。見圖3。

圖3 溢洪洞流態(校核洪水位工況)

4 泄水建筑物泄流能力分析

4.1 溢洪洞泄流能力

溢洪洞泄流量按下式計算：

(1)

式中：Q為泄流量，m3/s；m為堰流量系數；ε為閘墩側收縮系數；B為溢流堰總凈寬；H為未計入行近流速水頭的堰上水頭，m；g重力加速度，g=9.81 m/s2；M為包括側收縮系數在內的堰流流量系數，M=mε。

由試驗得出，當庫水位為50年一遇洪水位4 100.59 m時，試驗流量為940.05 m3/s，比設計流量906.44 m3/s大3.7%，其流量系數M=0.444；當水庫為設計水位4 101.47 m時，試驗流量為1 060.00 m3/s，比設計流量1 017.59 m3/s大4.0%，流量系數M=0.442；當水庫為校核水位4 102.84 m時，試驗流量為1 253.25 m3/s，比設計流量1 198.25 m3/s大4.6%，流量系數M=0.434。見圖4。

圖4 溢洪洞庫水位與流量關系曲線

4.2 導流泄洪洞泄流能力

導流泄洪洞按有壓孔流的計算公式：

(2)

式中：Q為泄流量，m3/s；n為孔口數量；μ為流量系數；Ak為孔口斷面面積，m2；Hw為水流自由出流時，孔口中心高程算起的上游水庫水深，m；

由試驗得出，當水庫為設計水位4 101.47 m時，試驗流量為736.00 m3/s比，流量系數μ=0.871；當水庫為校核水位4 102.84 m時，試驗流量為757.6 m3/s，大于設計計算流量503 m3/s，流量系數μ=0.875。見圖5。

圖5 導流泄洪洞庫水位與流量關系曲線

4.3 溢洪洞與導流泄洪洞聯合泄流能力

庫水位為4 102.84 m時，溢洪洞和導流泄洪洞聯合泄量為2 017.60 m3/s，比校核洪水1 701.31 m3/s大18.6%，泄水建筑物的整體泄洪規模滿足設計要求。見圖6。

圖6 溢洪洞與導流泄洪洞聯合泄洪庫水位與流量關系曲線

5 結 論

1)溢洪洞泄流能力：當庫水位為50年一遇洪水位4 100.59 m時，試驗流量為940.05 m3/s，比設計流量906.44 m3/s大3.7%，計算溢洪洞流量系數M=0.444；當水庫為設計水位4 101.47 m時，試驗流量為1 060.00 m3/s，比設計流量1 017.59 m3/s大4.0%，流量系數M=0.442；當水庫為校核水位4 102.84 m時，試驗流量為1 253.25 m3/s，比設計流量1 198.25 m3/s大4.6%，流量系數M=0.434。溢洪洞泄流能力滿足設計要求。

2)導流泄洪洞泄流能力：當水庫為設計水位4 101.47 m時，試驗流量為736.00 m3/s，計算泄洪洞流量系數μ=0.871；當水庫為校核水位4 102.84 m時，試驗流量為757.6 m3/s，大于設計計算流量503 m3/s，流量系數μ=0.875。試驗實測泄洪洞泄流能力大于設計計算值，建議對泄洪洞進口尺寸進行優化。

3)聯合泄流能力：庫水位為校核洪水位4 102.84 m時，溢洪洞和導流泄洪洞敞泄聯合泄量為2 017.60 m3/s，大于比校核洪水1 701.31 m3/s，泄水建筑物的整體泄洪規模滿足設計要求。