某水庫溢洪道消力池體型優化模型試驗研究

李明忠 LI Ming-zhong；林妮 LIN Ni

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430071）

1 工程概況

某水庫是一座以城鎮供水為主，兼顧灌溉補償、改善下游生態等綜合效益的中型水利工程。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3 級，水庫總庫容1050 萬m3。

溢洪道布置在大壩右岸，為有閘控制開敞式溢洪道，由進水渠、控制段、泄槽段及消能防沖段組成。溢洪道全長342.77m。控制段采用駝峰堰，堰頂高程726.20m，布置2個表孔，設2 扇弧形工作閘門，閘門尺寸為6.0m×7.3m（寬×高），工作閘門前設檢修閘門槽，兩孔公用一扇閘門。控制段順河向長度為24.0m，靠壩體一側邊墩采用重力式擋墻型式，頂寬5.0m，靠岸坡一側邊墩采用衡重式擋墻型式，頂寬1.5m，中墩采用直立式擋墻型式，頂寬2.0m。泄槽段軸線全長123.80m，收縮段長30.0m，控制段出口由14m漸變為10m。泄槽在溢0+024.00 至溢0+093.86 段底坡為i=0.05，后接拋物線y=0.02x2+0.05x，拋物線后泄槽底坡為i=0.833。泄槽末端接消力池，消力池首端寬10m，末端寬14m。池長55m，池底底板高程689.00m，消力池左側邊墻為C25 砼重力式擋墻，右側邊墻為砼衡重式擋墻，墻頂高程700.70m，消力池下游設尾坎，坎頂高程493.5m，消力池后接漿砌石海漫，厚0.5m，與下游河道順接。

2 模型實驗

2.1 實驗內容

本次模型試驗主要研究：觀測泄槽、消力池內及下游河道的水流流態、水力學特性，測試漸擴式消力池消能效率；宣泄大壩校核洪水時，若出現洪水漫出消力池，測試洪水對壩腳的影響；研究消力池最優池長和擴散角，提出推薦的消力池尺寸或輔助消能措施，根據模型試驗情況，對設計方案提出優化建議。

2.2 實驗設計

根據試驗任務和要求，本模型試驗主要涉及溢洪道下泄水流的流態、流速、水深、壓強等水力學指標。為了保證水流、泥沙的運動相似，最好選擇正態模型。水流運動相似按重力相似準則考慮[1]，按佛汝德數相似[2]計算，各比尺換算關系如下所示：

考慮試驗場地和用水量要求，試驗模型按重力相似準則設計為比尺λl=λh=50 的正態模型[3]，相關水力學參數的相似比尺如表1 所示。

表1 模型試驗各項相似比尺

試驗模型模擬了上游庫區、溢洪道、消力池及下游河道等范圍，上游和下游河道模型制作采用斷面控制，每隔50m 設一個控制斷面，地形變化較大區域局部加密至25m一個控制斷面。庫區模擬長度為400m，其中模型進口模擬至溢洪道進口上游200m（14 倍進口寬度），模擬高程至740.0m。下游模擬了消力池出口下游250m 長度的河道，模擬至705.0m 高程。溢洪道、消力池均采用有機玻璃制作[4]。模型上游入口流量采用矩形薄壁堰控制。模型試驗場地布置圖見圖1。

圖1 模型試驗場地布置圖

3 設計方案實驗成果

3.1 實驗工況

設計方案模型試驗中，重點觀測了消能防沖頻率洪水和校核頻率洪水（調洪后）下，溢洪道敞泄運行工況，觀測的水力學指標包括各部位水流流態、沿程水面線、流速、壓強等各項指標，觀測工況如表2。

表2 設計方案試驗工況

3.2 水流流態

模型試驗觀測了不同工況下溢洪道沿程各部位水流流態，觀測成果表明：①不同工況下，泄槽水流在消力池部位以底流形式銜接。消能防沖頻率洪水和校核頻率洪水（調洪后）下，入池單寬流量分別為33.3m3/（m·s）和51.6m3/（m·s），入池流速和單寬流量相對較大，入池水流直沖消力池尾坎，水躍躍首位于消力池中后部，在消力池后部形成較大的水面旋滾和紊動。消力池中部水面波動幅度較大，消能防沖頻率洪水和校核頻率洪水（調洪后）下，最大水面波動均會高于消力池邊墻高度。②入池水流對沖消力池尾坎后，水流在尾坎處上涌，繼而呈跌流流態與下游河道水流銜接。消力池流態見圖2。

圖2 校核工況下消力池流態圖（初設方案）

3.3 沿程水面線

模型試驗觀測了不同工況下溢洪道沿程水面線和水深，觀測成果表明：消力池范圍內的平均水位沿程逐漸升高，工況1（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎處的水位為700.50m，消力池范圍內的最大平均水深為10.13m，尾坎處平均水深為7.00m。工況2（0.1%，506.0m3/s）下，消力池尾坎處的水位為705.50m，消力池范圍內的最大平均水深為11.50m，尾坎處平均水深為12.00m。溢洪道沿程水面線觀測成果表明，消力池中后部邊墻超高不足。消能防沖工況下，消力池水面線成果見表3。

表3 消力池水面線成果表

3.4 沿程流速

消力池臨底流速較大，入池水流會直接對沖消力池尾坎，在消力池內未形成完全水躍。對沖水流受消力池尾坎阻擋而局部壅高，因而消力池尾坎部位的水流流速在順水流方向較小。

4 溢洪道體型優化

消力池采用底流型消力池布置方案，消力池底板高程687.0m，與泄槽以半徑為10.0m 圓弧銜接；消力池采用漸擴式布置方案，消力池長55.0m，入口寬度10.0m，出口寬度14.0m，出口尾坎高程693.5m；消力池邊墻高程為698.7m；消力池下游設混凝土護坦，護坦頂高程689.0m，長25.0m。消力池優化后斷面圖如圖3 所示。

圖3 消力池優化后縱斷面圖

圖4 消能防沖工況下消力池流態圖（調整后）

5 推薦方案試驗成果

5.1 水流流態

水流在消力池內形成完全水躍。水躍躍首在反弧段和消力池入口范圍內波動，隨入池單寬流量增大，躍首會略向下游推移。消力池內水面紊動劇烈，隨入池單寬流量增加，水體紊動強度增加。消力池出口部位，水流均呈跌流流態與下游河道水流銜接，且隨下泄流量增加，跌流高度增加。水流跌落點位于混凝土護坦范圍內，主流位于河道左岸。流態較調整前明顯改善。

5.2 水面線

當流量大于等于20%頻率洪水180.0m3/s 后，消力池內最大波動水位均高于消力池邊墻頂高程。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、設計洪水（2%，376.0m3/s）和消能防沖洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池內平均水位最高值分別為703.00m、700.88m、699.25m，消力池內波動水位最高值分別為705.00m、702.25m、701.00m，均高于消力池邊墻頂高程698.70m。優化后水面線成果見表4。

表4 消能防沖工況下水面線成果表

5.3 沿程流速

校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、設計洪水（2%，376.0m3/s）和消能防沖洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎斷面平均流速分別為9.35m/s、6.41m/s、6.88m/s，最大流速分別為10.41m/s、8.40m/s、7.62m/s。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、設計洪水（2%，376.0m3/s）和消能防沖洪水（3.3%，333.0m3/s）下，尾坎水流跌落點范圍內的最大流速分別為14.67m/s、8.26m/s、8.78m/s；護坦末端斷面流速平均值分別為6.21m/s、4.60m/s、5.79m/s，最大值分別為7.01m/s、7.34m/s、5.98m/s。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、設計洪水（2%，376.0m3/s）和消能防沖洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎下游100.0m 范圍內，河道左岸沿程最大岸邊流速分別為5.88m/s、5.14m/s、4.47m/s，下游河道沿程右岸岸邊最大流速分別為5.18m/s、4.65m/s、3.82m/s。

6 結論

初步設計階段，水庫溢洪道消力池采用漸擴形式，依據溢洪道設計規范（SL 253-2018）4.5.5 款第4 條[5]，其體型、布置和水力計算需經水工模型試驗驗證。通過模型實驗，對溢洪道消力池體型進行了調整，提出了合理化建議，為消力池安全運行提供了保證。