蓮花寺水庫泄洪建筑物模型試驗(yàn)成果分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

□李 艷 □張彩雙 □何 楠（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

1 工程概況

蓮花寺水庫位于葫蘆河中游太白鎮(zhèn)蓮花寺河段，壩址控制流域面積1566km2，河長(zhǎng)67.60km。樞紐建筑物從左岸到右岸依次為均質(zhì)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(zhǎng)度178.50m。蓮花寺水庫最大壩高25.50m，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)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(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，相應(yīng)洪峰流量為303m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，相應(yīng)洪峰流量為711m3/s。消能防沖設(shè)施洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，相應(yīng)洪峰流量為240m3/s。見表1。

表1 水位-泄量關(guān)系曲線表

2 泄洪建筑物模型試驗(yàn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 泄洪建筑物初步設(shè)計(jì)方案及模型試驗(yàn)的提出

蓮花寺水庫初步設(shè)計(jì)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(cè)，設(shè)1 孔，過流凈寬5.00m，邊墩厚度為2.00m，進(jìn)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(cè)，均質(zhì)土壩左側(cè)。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(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)計(jì)算泄流能力、下游消力池尺寸等均滿足要求，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)不同水位情況下的泄流能力、水流流態(tài)、是否設(shè)分隔墩、下游漿砌石海漫效果以及各級(jí)流量下消力池內(nèi)水躍發(fā)生位置，理論計(jì)算很難確定，需要結(jié)合水工模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 泄洪建筑物初步設(shè)計(jì)方案的模型試驗(yàn)結(jié)論與分析

對(duì)一級(jí)消力池的試驗(yàn)研究，其主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

2.2.1 針對(duì)流態(tài)而言

在各試驗(yàn)工況條件下消力池中均發(fā)生了強(qiáng)烈的水躍現(xiàn)象，消力池中流態(tài)紊亂，水流主體上往下游流動(dòng)，在表面有明顯的回流產(chǎn)生，水流摻氣明顯，摩擦消能充分。在無隔墩時(shí)消力池中的流態(tài)在邊界條件的控制范圍之內(nèi)，縱向上水躍的影響長(zhǎng)度不會(huì)超過消力池；但是在有隔墩時(shí)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(yùn)行。因此從流態(tài)而言隔墩方案應(yīng)該給予否定。

2.2.2 針對(duì)土石壩壩坡腳處的流態(tài)

在設(shè)計(jì)水位和校核水位下其水深波動(dòng)范圍分別為0.70～1.28m和0.90～1.43m，水流流速均很小，不會(huì)對(duì)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(xiàn)先上升，再持平，后下降的變化規(guī)律

在無隔墩時(shí)，各工況條件下水面線均低于邊墻的高程，最高水面線達(dá)邊墻的2/3 處。在有隔墩時(shí)，底孔出流會(huì)有水流漫頂現(xiàn)象產(chǎn)生，在水流波動(dòng)較大的位置水面線高于邊墻高程。

2.2.4 針對(duì)流速分布而言

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

2.2.5 針對(duì)壓力分布而言

在各工況條件下消力池中均未出現(xiàn)負(fù)壓，壓力值整體不大，且壓力分布規(guī)律明顯。在消力池的前端由于水躍強(qiáng)烈和明顯，因此壓強(qiáng)波動(dòng)明顯，之后水流逐漸穩(wěn)定，壓強(qiáng)波動(dòng)大幅減輕。對(duì)比有無隔墩兩種情況，有隔墩時(shí)壓力值較無隔墩情況有所增大，這是因?yàn)楦舳盏拇嬖趯?dǎo)致消力池中水深略有增大，靜水壓力變大。同時(shí)無隔墩時(shí)壓力沿程波動(dòng)較小，有隔墩時(shí)壓力沿程波動(dòng)較大。

2.2.6 針對(duì)消力池的消能率而言

在設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)不利于消力池的消能，無隔墩時(shí)消能率均大于有隔墩時(shí)的消能率。

為了充分利用壩下游原有的砌石壩，在一級(jí)消力池后采用漿砌石海漫接原來的砌石壩，形成二級(jí)消力池。模型試驗(yàn)中，基于二級(jí)消力池為漿砌石海漫或者深齒墻鉛絲籠的不同結(jié)構(gòu)，分別從流態(tài)分布以及流速大小兩個(gè)方面的水力特性進(jìn)行研究。試驗(yàn)認(rèn)為兩種結(jié)構(gòu)的二級(jí)消力池對(duì)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(rèn)為鉛絲籠結(jié)構(gòu)更有助于保護(hù)消力池等建筑物的安全。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)原始方案的比選，發(fā)現(xiàn)無隔墩方案對(duì)整個(gè)消力池的消能更有利。但是從單開底孔時(shí)可以看出，消力池原體型存在一些不足，主要表現(xiàn)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(jí)消力池處的水面波動(dòng)較大。究其原因，是因?yàn)榈卓着c消力池銜接的1:4 的斜坡段縮短了消力池的有效長(zhǎng)度，導(dǎo)致水流消能不足。根據(jù)以上幾點(diǎn)，提出優(yōu)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(yōu)化方案一可以看到，左側(cè)擋墻對(duì)底孔水流的橫向擴(kuò)散起到了阻礙作用，如果將左側(cè)擋墻改為喇叭式出口，消力池長(zhǎng)度也許可以縮減。根據(jù)這些分析，在第一次優(yōu)化的基礎(chǔ)上作出如下所示的優(yōu)化方案二：

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

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)結(jié)論

在蓮花寺水庫水工模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)針對(duì)溢流表孔和沖沙底孔的泄流能力、一級(jí)消力池和二級(jí)消力池的消能率進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，注意到原始方案中的一些不足之處，進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，提出第一、二次優(yōu)化方案，通過對(duì)比分析，得出最終的優(yōu)化方案。試驗(yàn)結(jié)論和建議如下：

第一，針對(duì)溢流表孔和沖沙底孔進(jìn)行過流能力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明表孔和底孔的過流能力均大于理論計(jì)算值，滿足工程實(shí)際過流的需要，能夠確保整體水工建筑物的安全運(yùn)行。

第二，在設(shè)計(jì)水位及校核水位下，閘門進(jìn)口無進(jìn)氣漩渦以及其他威脅建筑安全的水流現(xiàn)象產(chǎn)生，僅在土石壩處產(chǎn)生橫向水流，該流速最大在1.20m/s 左右，不會(huì)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(shí)泄水，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生間歇性的進(jìn)氣漩渦。

第三，一級(jí)消力池的試驗(yàn)中，在各試驗(yàn)工況條件下消力池中均發(fā)生了強(qiáng)烈的水躍現(xiàn)象。消力池中流態(tài)紊亂，水流摻氣明顯，摩擦消能充分，伴有明顯的回流產(chǎn)生。有隔墩和無隔墩條件下試驗(yàn)現(xiàn)象差別較大，綜合考慮流態(tài)、水面線、壓力、消能率等因素，認(rèn)為隔墩結(jié)構(gòu)不利于整個(gè)消力池的正常運(yùn)行和提高消能率，否定有隔墩方案，不設(shè)置隔墩。

第四，關(guān)于消力池的尺寸問題，分別以三種方案的對(duì)比來進(jìn)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(yōu)化方案均在斷面（0+079.084）之前。從水面線的分布來看，優(yōu)化方案二水面線最低，其次是原始方案，優(yōu)化方案一最高。綜合考慮，優(yōu)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(nèi)產(chǎn)生過高的水流躍出邊墻。

第五，對(duì)于二級(jí)消力池（即海漫），三種方案對(duì)比可以得出，優(yōu)化方案二流速最小，有利于減弱水流對(duì)其沖刷作用。所以宜采用優(yōu)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(yōu)化方案一與優(yōu)化方案二均在70%左右，優(yōu)化方案一的消能率略大于優(yōu)化方案二的消能率。但是從經(jīng)濟(jì)性上考慮，縮短19m 長(zhǎng)度的經(jīng)濟(jì)效益下，優(yōu)化方案二比優(yōu)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(yōu)化方案一的水深波動(dòng)范圍均為0.70～1.43m，優(yōu)化方案二的水深波動(dòng)范圍是0.70～1.85m，但是三種方案下水流流速均很小，不會(huì)威脅土石壩安全。

第八，從整個(gè)試驗(yàn)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(fā)生斷面提前，進(jìn)而使消能更充分。它的存在有效地保護(hù)了二級(jí)消力池（即海漫段），所以建議保留砌石壩。

第九，數(shù)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(guī)律，結(jié)果與物理模型的試驗(yàn)結(jié)果相一致。總體來講，優(yōu)化方案二是最合適的方案。

第十，通過第一、二次優(yōu)化方案的物理模型和數(shù)值模型的研究，最終的優(yōu)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(cè)的擋墻改為擴(kuò)散角為5.71°的喇叭式出口，一直擴(kuò)散至壩下0+045.00m，后面部分為原來擋墻直接往左側(cè)平移2.00m。將原來消力池往上游縮短19m，對(duì)應(yīng)的邊墻作相同長(zhǎng)度的縮短。汛期壩后水位較高，高于現(xiàn)有的土路高程，將會(huì)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(zhì)土壩后的土路加高至1138.00m。

蓮花寺水庫泄洪建筑物設(shè)計(jì)是理論設(shè)計(jì)→水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證→分析研究→優(yōu)化設(shè)計(jì)→水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證一系列逐步優(yōu)化的過程。對(duì)理論設(shè)計(jì)中無法確定的問題經(jīng)模型試驗(yàn)去驗(yàn)證，也為今后相關(guān)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。蓮花寺水庫優(yōu)化過程也證明了，理論計(jì)算中的泄流能力滿足要求，但理論計(jì)算無法準(zhǔn)確計(jì)算出水流擴(kuò)散角度。通過試驗(yàn)，取消中隔墩后，消力池長(zhǎng)度減短，水流不會(huì)漫過邊墻，消能率較高。左側(cè)邊墻采用擴(kuò)散邊墻后，水流較平順。

[1]黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.甘肅慶陽葫蘆河蓮花寺水庫工

3 試驗(yàn)結(jié)論與思考

程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2015.

[2]水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范（SL253-2000）[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

[3]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第7 卷）：泄水與過壩建筑物(第2 版)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

[4]武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室.水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.