大型水利庫(kù)壩多孔溢洪道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李文峰

（無(wú)棣縣王山水庫(kù)管理所，山東 無(wú)棣251900）

0 引言

大型水利庫(kù)壩是我國(guó)水利工程建設(shè)的重要樞紐工程，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與財(cái)產(chǎn)安全保護(hù)起到及其重要的作用。溢洪道作為水利庫(kù)壩防洪、泄洪的重要手段，不僅能夠有效調(diào)節(jié)水庫(kù)水位，起到對(duì)區(qū)域水資源調(diào)度作用，也能夠?qū)λY源尤其是發(fā)電方面起到十分重要的作用[1～3]。

目前，我國(guó)關(guān)于單溢洪道小型水利庫(kù)壩的研究已較為成熟[4～6]，但針對(duì)含多孔溢洪道的大型庫(kù)壩設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作的研究仍然較少。寧景昊[7]在依托某水電站溢洪道工程實(shí)例基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)數(shù)值模擬軟件對(duì)對(duì)溢洪道主要水力特性進(jìn)行分析計(jì)算，并基于室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，提出一系列科學(xué)、合理的經(jīng)驗(yàn)公式，取得了良好的擬合效果；王釗[8]基于數(shù)值模擬計(jì)算與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法分析了多孔抖槽消能率在5 種復(fù)雜影響因素影響下發(fā)生的變化趨勢(shì)，并探討了多因素的作用效應(yīng)；楊麗萍等[9]通過(guò)基于室內(nèi)多孔消能板的陡槽溢洪道的水流流速試驗(yàn)，展開(kāi)了角度及粗糙度等多因素對(duì)下游水槽消能特性研究,并基于試驗(yàn)結(jié)果分析各個(gè)因素對(duì)設(shè)置多孔溢洪道消能率的實(shí)際影響程度，提出多孔消能板處理方案的消能率能夠達(dá)到80%以上，其對(duì)水流的消能效果最佳；此外，部分學(xué)者通過(guò)采用新方法對(duì)多孔溢洪道的水力特性進(jìn)行了研究，沙海飛等[10]利用VOF 方法處理自由水面,指出受閘墩、邊墩等的影響,溢洪道不同孔的過(guò)壩水流的水面線、壩面壓力存在一定的差異性,研究結(jié)果為溢洪道的水力設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

上述研究多限制于數(shù)值模擬計(jì)算方法，故本文在實(shí)際工程調(diào)查基礎(chǔ)上建立室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，并通過(guò)分析計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃??；谟?jì)算結(jié)果探討原設(shè)計(jì)的可靠性及缺點(diǎn)，并提出多種優(yōu)化方案進(jìn)行比選得出最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 工程現(xiàn)狀

某大型水利庫(kù)壩為工程水電站庫(kù)壩，壩體采用碾壓式混凝土重力壩，具有泄洪、蓄水、能源等多重作用。庫(kù)壩最大高度達(dá)120.25 m，日常蓄水高度在80.10 m 左右。泄水建筑物采用壩身多孔（3 孔）溢洪道結(jié)構(gòu)進(jìn)行洪水防治。受氣候條件影響，地區(qū)每年七月為防洪汛期，汛期水位高度可能會(huì)超過(guò)水庫(kù)壩高，發(fā)生壩頂溢流災(zāi)害；此外，在水庫(kù)河道下游防沖區(qū)存在較嚴(yán)重的沖蝕情況，對(duì)下游坡體安全造成極不利的影響。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得出該水利庫(kù)壩及壩身多孔溢洪道等建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水利庫(kù)壩及壩身多孔溢洪道等建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案與原設(shè)計(jì)分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該溢流壩壩頂高程為562 m，檢修門尺寸為15 m×18 m，泄槽坡度為1∶0.75，泄槽寬度為52 m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)查及室內(nèi)方案設(shè)計(jì)討論，綜合考慮河道水力特性、河床河岸、水面流態(tài)等問(wèn)題，得出室內(nèi)多孔溢流庫(kù)壩物理模型采用比例尺為1∶80，能夠滿足消能防沖及侵蝕問(wèn)題模擬工作。基于三峽大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)室建立該溢流壩水工模型，模型具體設(shè)計(jì)參數(shù)比例尺見(jiàn)表2。

通過(guò)上述模型對(duì)不同工況下河流庫(kù)水位變化進(jìn)行模擬，得出模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1 可知，三孔全開(kāi)下工況下，庫(kù)水位隨流量變化模型試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算結(jié)果曲線與試驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)值之間能夠相互對(duì)應(yīng)，由此可見(jiàn)，模擬結(jié)果具有高度的可靠性。進(jìn)一步的，觀察不同工況下庫(kù)水位隨流量變化，圖中e 表示閘門開(kāi)口寬度，由此可知，隨著閘門的逐漸開(kāi)放，多孔溢洪道泄流效果越來(lái)越好：閘門開(kāi)口e=2 m 條件下，當(dāng)水庫(kù)流量超過(guò)1420 m3/s 后即會(huì)出現(xiàn)水庫(kù)水位超過(guò)壩頂高程的情況，隨著閘門開(kāi)口度的增大，e=4 m、6 m、8 m、10 m 及12 m 條件下超過(guò)庫(kù)壩水位時(shí)對(duì)應(yīng)流量分別為2315 m3/s、3426 m3/s、4512 m3/s、5426 m3/s及6789 m3/s。結(jié)果表明，在不同時(shí)期通過(guò)控制閘門開(kāi)口度進(jìn)行水庫(kù)水位控制，對(duì)水庫(kù)防洪、產(chǎn)能等功能能夠起到很好的調(diào)度作用。

表2 庫(kù)壩物理模型物理量比例尺

為有效評(píng)定不同時(shí)期水庫(kù)流量對(duì)庫(kù)壩的影響，進(jìn)一步計(jì)算得出不同庫(kù)流量下水位綜合流量系數(shù)，計(jì)算方法如下式：

式中：Q 為庫(kù)流量，m3/s；e 為閘門開(kāi)口寬度，m；H 為堰頂水頭，m；g 為重力加速度，取g=9.8m/s2進(jìn)行計(jì)算。

基于上述模型數(shù)據(jù)，得出綜合流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1 可知，日常水位條件下水庫(kù)的綜合流量系數(shù)在0.439～0.483 之間，且隨著庫(kù)水位及流量增大呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)。

圖1 溢洪道水位- 流量曲線及綜合流量系數(shù)曲線

2.2 原設(shè)計(jì)分析

圖2 為室內(nèi)試驗(yàn)所得及原設(shè)計(jì)條件下庫(kù)流量隨庫(kù)水位變化趨勢(shì)，由圖2 可見(jiàn)，在正常蓄水位下，壩體能夠滿足工程實(shí)際要求，且二者之間相差不大；當(dāng)水庫(kù)水位隨季節(jié)變化逐漸提高時(shí)，原設(shè)計(jì)在考慮到多重因素下，充分提高了壩體的防洪設(shè)計(jì)要求水準(zhǔn)，使得高水位下設(shè)計(jì)水流量遠(yuǎn)大于實(shí)際流量，因此可見(jiàn)，原庫(kù)壩多孔溢洪道設(shè)計(jì)能夠滿足水庫(kù)防洪實(shí)際的要求。

此外，進(jìn)一步對(duì)上、下游水面流態(tài)進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，溢洪道上游庫(kù)區(qū)水位能夠保持平穩(wěn)狀態(tài)，并且水體流速很小，基本可視作靜態(tài)流區(qū)；水體經(jīng)過(guò)庫(kù)壩后流速大幅度提高，且?guī)靿蜗掠嗡骈_(kāi)闊，因此出現(xiàn)較高的水冠（8.0 m），河面流態(tài)較差，因此，需要通過(guò)對(duì)閘墩尾進(jìn)行優(yōu)化，合理調(diào)整水面流態(tài)。

圖2 設(shè)計(jì)泄洪流量與試驗(yàn)實(shí)際流量

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比選

根據(jù)原方案物理模型試驗(yàn)結(jié)果可知，原設(shè)計(jì)能夠滿足庫(kù)區(qū)任何時(shí)間泄洪設(shè)計(jì)，但對(duì)于下游水面流態(tài)控制性較差，產(chǎn)生較高水冠因此需要對(duì)挑流鼻坎進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)深入討論，提出以下三個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)三種優(yōu)化方案進(jìn)行比選。

（1）方案一：在墩尾下游修建一半圓形尖頭閘墩，且控制弧度半徑為7 m，通過(guò)弧度對(duì)挑水高度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

（2）方案二：受墩頭流線型影響，其末端相交點(diǎn)據(jù)墩頭末端越遠(yuǎn)，則河面流態(tài)越差，因此可將試驗(yàn)墩頭直接設(shè)計(jì)為半圓形。

（3）方案三：落水點(diǎn)的位置隨水庫(kù)水位不同而變化，特別是相鄰開(kāi)孔寬度不同時(shí)，水冠偏向于向開(kāi)口小的一側(cè)并容易砸到邊墻。因此，設(shè)計(jì)將中隔墩長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)向下延伸5 m。

圖3 為不同優(yōu)化方案下水流速隨離庫(kù)壩距離變化對(duì)比，由圖3 可知，不同方案下水流速隨離庫(kù)壩距離均呈現(xiàn)處相同的變化規(guī)律，即流速先快速上升后趨于平穩(wěn)狀態(tài)。這是由于在距離河壩近的時(shí)候水體的水力梯度差較大，重力作用下水的位置發(fā)生快速下降，勢(shì)能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，水的流速快速增加，而隨著水流相對(duì)位置的逐漸增加，水力梯度降低，且摩擦消耗了較大的勢(shì)能，因此出現(xiàn)離庫(kù)壩遠(yuǎn)處水流速度趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 不同優(yōu)化方案下水流速隨離庫(kù)壩距離變化規(guī)律

不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下下游最大水冠高度見(jiàn)圖4，可知在方案一條件下最大水冠高度為7.05 m，較原設(shè)計(jì)優(yōu)化效果達(dá)11.88%；方案二條件下最大水冠高度為5.98 m，相較于原設(shè)計(jì)最大水冠高度下降25.25%；方案三條件下最大水冠高度為5.76 m，優(yōu)化效果達(dá)到28.00%，由此可見(jiàn)，在本次提出的三種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，方案三對(duì)河道下游水面流態(tài)優(yōu)化效果最佳，對(duì)原設(shè)計(jì)的優(yōu)化程度達(dá)到28.00%。

圖4 不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下水冠最大高度對(duì)比

4 結(jié)論

本文以某大型水電庫(kù)壩設(shè)計(jì)為例，基于室內(nèi)庫(kù)壩及多孔溢洪道物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投嗖煌r下水庫(kù)運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，以保證物理模型的科學(xué)性、可靠性。進(jìn)一步利用模型分析原設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，得出原設(shè)計(jì)雖然能夠滿足庫(kù)壩防洪要求，但其在下游水面流態(tài)呈現(xiàn)出較差的情況，并根據(jù)問(wèn)題提出三種不同優(yōu)化方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三種方案對(duì)水冠高度優(yōu)化程度分別達(dá)到11.88%、2.25%及28.00%，因此采用第三種優(yōu)化方案最佳，能夠有效治理庫(kù)壩元多孔溢洪道設(shè)計(jì)的不足之處。該工程優(yōu)化設(shè)計(jì)也為我國(guó)其他地區(qū)水利工程大型水利庫(kù)壩多孔溢洪道設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了良好的范例。