岔河水庫溢洪道工程消力池水力設計研究

董 榮

(臨滄市水利水電勘測設計研究院，云南 臨滄 677000)

在水工建筑物設計中，如何合理有效設計消力池設施，在下泄過程中有效消耗水流能量是設計的重點與難點[1]，就要進行必要的防沖消能設施研究[2]。岔河水庫是中型水庫，其溢洪道水力條件較復雜，控制堰頂與消力池底板高差就有92.5m，消能防沖單寬流量為8.0m3/s，一般只是采用經驗公式對消力池進行水力計算，為防止采用經驗公式計算成果與實際不符，不能夠將下泄水流的動能大部分消除和出現漫頂情況，最終沖毀溢洪道和其它建筑物，造成不必要的損失，故提出通過多途徑對消力池水力設計成果進行相互論證和復核，確保工程安全運行。

1 基本情況

1.1 岔河水庫基本情況

岔河水庫位于云南省云縣浪壩山村，距云縣縣城72km。水庫徑流區屬瀾滄江流域右岸一級支流拿魚河上游，水庫控制徑流面積145km2，多年平均徑流量11668萬m3，P=75%時設計年徑流量9587萬m3。水庫可以解決岔河水庫下游涌寶、栗樹和后箐3個鄉鎮所轄區域的12.9萬畝耕地灌溉要求，還可以解決灌區農村4.68萬人和5.59萬頭牲畜飲水問題。水庫校核洪水位(P=0.1%)為1823.22m，設計洪水位(P=2%)為1821.40m，消能防沖水位(P=3.33%)為1821.22m，正常蓄水位1820.41m，總庫容4906.2萬m3。

1.2 溢洪道工程結構布置

溢洪道位于攔河壩右壩肩，為正槽開敞式溢洪道，由進口段、控制堰段、泄槽Ⅰ、Ⅱ段、消能段、護坦段組成，全長476.71m。校核洪水對應下泄流量為160m3/s，設計洪水對應下泄流量為76.4m3/s，消能防沖洪水對應下泄流量為63.8m3/s。進口底板高程1815.41m，采用設閘WES曲線實用堰，堰頂高程1817.41m，控制堰凈寬6m，堰上設6m×3.5m閘門，正常蓄水位高程1820.41m；泄槽Ⅰ、Ⅱ段結構斷面尺寸為6.0m×4.4m、6.0m×3.6m，底坡分別為1∶11.4、1∶1.5；溢洪道出口采用底流消能，消力池長40.5m，池深7.0m，邊墻高12.0m；后接護坦段，溢洪道消力池結構如圖1所示。

1.3 溢洪道消力池水力計算相關方法

溢洪道水力條件較復雜，一般計算可采用通過經驗公式計算，水力計算軟件，數字三維模型和水工模型等多種方法對溢洪道工程消力池進行水力計算。

1.3.1經驗公式

溢洪道消力池水力設計大部分是根據SL 253—2018《溢洪道設計規范》和《水工設計手冊》等規范或書籍中的經驗公式進行水力設計。經驗公式是在科學實驗中，通過多組實驗數據出發擬合得到的，故具有局限性，需要根據公式要求進行計算。

圖1 溢洪道消力池平面圖

圖2 溢洪道消力池縱斷面圖

1.3.2水力計算軟件

計算軟件是根據經驗公式編制的軟件，參數直接可以在軟件中選擇，減少了參數查找時間和減少計算中不必要的誤差。主要有理正巖土計算分析水力學計算軟件，水利水電設計程序集PC1500軟件和利用VB、C語言和C++自編軟件等對消力池進行水力設計。

1.3.3數字三維模流分析軟件

此軟件計算成果在參數設置合理情況下與實際相符，但難點在于參數設置，哪方面設置不合理就造成成果失真。主要有ANSYS、Flow- 3D、MIDAS—NFX、ADINA等對消力池進行水力設計。

1.3.4水工模型試驗

水工模型試驗比尺參數選擇—水工模型尺寸和模型材料是確定成果合理型關鍵，根據SL 155—2012《水工(常規)模型試驗規程》要求，研究樞紐中單一建筑物的水力特性，宜采用單體模型，幾何比尺不宜小于1∶80[3]。岔河水庫溢洪道模型按重力相似準則設計，采用正態模型。經計算比較模型最終選用比尺為λL=40，制作模型，最終根據水工模型試驗復核消力池水力設計成果如圖2所示。

2 多種方法對溢洪道消力池進行水力計算

2.1 經驗公式對消力池進行水力計算

當設計水躍消能工時，躍前斷面的收縮水深及相應流速是兩個最基本的水力參數。對于溢洪道泄槽直接進入消力池的情況下，躍前斷面收縮水深可近似等于泄槽末端水深[4]。在消能防沖洪水流量為63.8m3/s時，計算出收縮斷面水深h1=0.335m，躍后水深h2=6.05m，池深d=3.12m，消力池長度L=31.53m，收縮斷面弗勞德數為13.13。

按照SL 253—2018對消力池進行水力計算，如圖3所示底流水躍消能公式計算如下。

(1)

(2)

d=σh2-ht-ΔZ

(3)

(4)

Lk=08L

(5)

L=69(h2-h1)

(6)

圖3 下挖式消力池水躍圖

按照《水工設計手冊》對消力池進行水力計算，公式主要采用能量方程公式計算出收縮斷面水深h1和收縮斷面流速，弗勞德數和其它參數也沒有范圍限制，適用范圍較廣，底流水躍消能公式計算如下[5]。在消能防沖洪水流量為63.8m3/s時，計算出收縮斷面水深h1=0.194m，躍后水深h2=8.07m，池深d=5.20m，消力池長度L=43.48m，收縮斷面弗勞德數29.72。

(7)

(8)

(9)

(10)

Lk=(0.7～0.8)Lj

(11)

(12)

2.2 水力計算軟件對消力池進行水力計算

采用理正巖土計算分析水力學計算軟件對消力池進行水力計算，軟件公式和《水工設計手冊》一樣，都是采用能量方程公式計算出收縮斷面水深h1和收縮斷面流速。在消能防沖洪水流量為63.8m3/s時，計算出收縮斷面水深h1=0.195m，躍后水深h2=8.09m，池深d=5.64m，消力池長度L=40.84m。

采用水利水電設計程序集PC1500軟件對消力池進行水力計算，軟件公式和《水工設計手冊》一樣，都是采用能量方程公式計算出收縮斷面水深和收縮斷面流速。在消能防沖洪水流量為63.8m3/s時，計算出收縮斷面水深h1=0.193m，躍后水深h2=8.14m，池深d=5.79m，消力池長度L=41.13m，如圖4所示。

圖4 Ⅰ類矩形底流消力池圖

2.3 水工模型試驗復核消力池水力設計成果

云南農業大學對岔河水庫溢洪道進行水工模型試驗研究。溢洪道進口段、控制堰段、泄槽段及消能段采用有機玻璃制作，其糙率滿足試驗要求(有機玻璃糙率n=0.007～0.009，混凝土糙率n=0.014～0.017，原型與模型糙率比為1.56～2.43)；消力池出口下游河道地形采用水泥砂漿硬模。經計算比較模型最終選用比尺為λL=40，相應比尺參數：

流量比尺：λQ=λL5/2=10119；時間比尺：λT=λL1/2=6325；

流速比尺：λν=λL1/2=6325；糙率比尺：λn=λL1/6=1849。

在消能防沖洪水流量為63.8m3/s時，能夠形成深度淹沒，躍前水深h1=0.36m，躍前流速v1=23.88m/s；躍后水深h2=10.40m，躍后流速v2=0.77m/s，消能率73.0%，消能效果明顯，模型成果如下圖。

在設計洪水流量為76.4m3/s時，能夠形成深度淹沒，躍前水深h1=0.42m，躍前流速v1=24.30m/s；躍后水深h2=10.60m，躍后流速v2=0.90m/s，消能率73.3%，消能效果明顯。

在校核洪水流量為160.0m3/s時，躍前水深h1=0.82m，躍前流速v1=26.76m/s；躍后水深h2=10.00m，躍后流速v2=2.00m/s，消能率66.1%，水已經漫過尾水渠道邊墻高度，但不影響樞紐區安全，模型成果如圖5—6所示。

圖5 溢洪道消力池水工模型試驗水躍形態圖(P=3.33%)

圖6 溢洪道消力池水工模型試驗水躍形態圖(P=0.1%)

2.4 數字三維模流分析軟件復核消力池水力設計成果

岔河水庫溢洪道消力池采用ANSYS數字三維模流分析軟件，軟件難點是模型參數設置。通過對計算模型進行合理的劃分區域與對網格進行有針對性的加密或者稀疏化，數值模擬結果與試驗值吻合良好[6]。本項目是先完成水工模型試驗，再根據試驗數據來設置ANSYS參數，采用ANSYS數字三維模流分析軟件進行復核對消力池進行水力計算，在校核洪水流量為160.0m3/s時，躍前水深h1=0.81m，躍后水深h2=10.60m，推求結果基本與水工模型試驗相符，模型成果如圖7所示。

圖7 數字三維模流分析軟件對溢洪道消力池水躍形態圖(P=0.1%)

3 成果對比分析

岔河水庫溢洪道消力池采用經驗公式，水力計算軟件，水工模型試驗和數字三維模流分析軟件進行水力計算，7種方案結果見表1。

由表1看出，方案1水力計算成果不合理，經過水工模型試驗，溢洪道下泄洪水不能很好的在消力池消能，而是在消力池末尾產生挑流，故對消力池結構進行優化設計。方案2～7的計算結果相對誤差較小，均不超過10%，說明成果基本合理。從安全和經濟性考慮，消力池體型選用水工模型試驗成果相對較為合理，優化后消力池長40.5m，池深7.0m，邊墻高12.0m。

方案一水力計算成果不合理原因并非經驗公式錯誤，主要原因是經驗公式有局限性，水躍長度L計算公式中的收縮斷面弗勞德數在5.5～9.0之間，而實際根據規范公式計算出收縮斷面弗勞德數為13.13，不滿足規范要求。

4 水力計算建議步驟

大型工程或水力條件復雜的中型工程的溢洪道，應根據水工模型試驗，論證工程布置及水力設計的合理性[3]。確定溢洪道消力池結構尺寸方法很多，根據工程地形地質、工程布置和工程等級等不同建設條件下，有針對性選擇合適的方法對溢洪道消力池進行水力復核設計，可以酌情參考如下步驟。

第一步，采用SL 253—2018或《水工設計手冊》等規范或書籍中的經驗公式初步確定溢洪道消力池結構尺寸。

第二步，采用理正巖土計算分析水力學計算軟件或水利水電設計程序集PC1500軟件等國家認證的軟件來復核溢洪道消力池水力設計是否滿足規范要求。

第三步，采用數字三維模流分析軟件ANSYS、Flow- 3D、MIDAS—NFX或ADINA模擬水流流態來復核溢洪道消力池水力設計是否滿足規范要求。數字三維模流分析軟件可以減少設計成本和周期，并增加溢洪道運行安全性。

第四步，最后采用水工模型試驗來復核溢洪道消力池水力設計是否滿足規范要求。采用水工模型試驗成果也較為可靠，但投入的設計成本和時間也較多，岔河水庫溢洪道水工模型試驗整整投入3個月才得到初步成果，故一般是在較大工程或涉及安全性因素下才采用此方法。或有條件情況下可采用水工模型試驗復核，但需對試驗成果有所甄別，試驗存在誤差，水工模型安裝錯誤，試驗參數取值不合理，或采用比例尺較小不能真實反映實際水流運行情況(一般試驗單位為了減少模式試驗成本，或是試驗場地有限，故把水工模型做得很小)，都會造成試驗成果不合理。

表1 多種方法對溢洪道消力池進行水力計算表

5 結語

通過多種計算方法結果進行對比分析研究，最終消力池體型選用水工模型試驗成果；消能率60%～75%，雖然把大部分動能消除，但還剩余25%～40%沒有消除，需要做好下游海曼設計，防止洪水淘刷溢洪道消力池基礎，造成破壞。溢洪道消力池體型需要根據項目特點，工程規模大小，選擇相對安全合理的水力計算方法。水庫在運行過程中，做好消力池消能監測工作，并及時記錄庫水位、下泄流量、躍前水深、躍后水深、水躍長度等數據，驗證理論計算、三維模流分析軟件和水工模型試驗結果是否合理。