洋河水庫溢洪道水工模型試驗(yàn)研究

傅長鋒，季保群 ，韓李明，楊勝慧，徐發(fā)新

（1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250；2.秦皇島市洋河水庫管理處，河北 秦皇島 066300）

我國大型水庫溢洪道多采用水工模型試驗(yàn)方法，驗(yàn)證溢洪道整體布置和泄流能力及消能防沖效果等，近幾年修建、改擴(kuò)建的溢洪道水力條件又多存在水流條件差、河道抗沖刷能力低等不利因素，所以，水工模型試驗(yàn)在溢洪道整體布置和方案選擇上顯得越來越重要。楊必嫻，冉海林［1］通過水工模型試驗(yàn)對(duì)馬鹿水庫溢洪道設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并根據(jù)試驗(yàn)成果對(duì)溢洪道引渠段、陡坡泄槽段及消力池體型進(jìn)行優(yōu)化。吳亮，牧振偉［2］通過水工模型試驗(yàn)，對(duì)KLBL水電站溢洪道挑坎體型進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，提出采用雙曲擴(kuò)散挑流鼻坎體型。張開玉［3］通過建立荔波平林水電站水工模型，對(duì)溢洪道運(yùn)行的水力特性和體形結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，優(yōu)化原有設(shè)計(jì)提出預(yù)防和控制措施。簡鴻福等［4］采用模型試驗(yàn)驗(yàn)證和公式推導(dǎo)相結(jié)合的方法，研究了軍民水庫駝峰堰的過堰流態(tài)、動(dòng)水壓強(qiáng)分布和泄流能力等水動(dòng)力特性。諸多的試驗(yàn)研究為溢洪道方案設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，不僅減少了工程投資，更重要的是提高了水庫工程的安全性。

洋河水庫除險(xiǎn)加固工程溢洪道［5］采用低實(shí)用堰堰型，引水渠布置在彎道上，下游采用收縮泄水陡槽以減少占地，出口采用挑流效能，溢洪道整體布置和水流邊界條件相對(duì)復(fù)雜。通過建立水工模型，模擬部分庫區(qū)、溢洪道引渠、堰體、泄水陡槽及挑流鼻坎結(jié)構(gòu)，研究溢洪道的泄流能力、陡槽水面線、挑流鼻坎體型及下游沖刷坑安全等水力學(xué)問題，為進(jìn)一步優(yōu)化溢洪道整體方案設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

1 工程概述

洋河水庫為大（2）型水庫工程，壩址位于河北省秦皇島市洋河干流上，控制流域面積755km2，總庫容3.66億m3。水庫以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用任務(wù)。水庫樞紐由攔河壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水隧洞、西干渠放水洞、水電站及引青濟(jì)秦供水工程進(jìn)水口等建筑物組成［1］。溢洪道位于攔河壩左側(cè)，為開敞式。由上游引水渠段、閘室段、陡坡泄槽段、挑坎段、尾渠段組成。水庫工程為Ⅱ等工程，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水，溢洪道限泄流量500m3/s；校核標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇洪水，溢洪道最大下泄流量4476m3/s。

引水渠段：全長約474m，樁號(hào)從引水渠進(jìn)口至閘室為Y0-474～Y0+000。 其中，Y0-074～Y0-020為彎道段，彎道中心半徑140m。引水渠底高程為53.00～51.50m，底寬126～70.5m；引水渠為裸露強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部破碎處采用漿砌石防護(hù)。

閘室段：閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全長24m。閘室溢流堰總寬62.5m，共5孔，每孔凈寬12.5m。中墩墩厚2.0m，墩頭采用直徑為2m的半圓形；溢流堰采用駝峰堰，堰頂高程53.51m，設(shè)5扇弧形鋼閘門，閘門底位于堰頂最高點(diǎn)下游，高程為53.41m，支絞門軸設(shè)計(jì)高程60.41m。

陡坡泄槽段：全長120m，陡坡段起點(diǎn)高程50.31m，為矩形斷面，渠底凈寬由70.5m對(duì)稱收縮至50m，收縮角度為5.85°，收縮段長100m；為使水流保持平順，后接20m長的等寬段，縱坡1/50。

挑坎段：挑坎段與陡坡泄槽段末端連接，包括渥奇曲線段和挑流坎段，初始設(shè)計(jì)方案的曲線段長26.50m，拋物曲線公式y(tǒng)=0.01x2，挑流段長34.74m，反弧半徑45m，挑坎高程43.59m，挑角為26°。

尾渠段：尾渠段底寬70m，起點(diǎn)高程38.31m，平均河底高程35.0m，縱坡1/400，全長420m。

2 模型設(shè)計(jì)與測(cè)試手段

2.1 模型范圍與相似準(zhǔn)則

模擬范圍包括上游部分庫區(qū)、溢洪道上游引渠、閘室段、泄槽段、挑流消能段、下游灘地與洋河河道。即從閘室上游至庫區(qū)，長約500m，到挑流坎下游至洋河主河道，長約800m。正態(tài)模型比尺為1∶65［6］。按重力相似準(zhǔn)則且滿足幾何相 似

2.2 模型設(shè)計(jì)與測(cè)試方法

工程建筑物及地形數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)［5］總體平面布置圖。溢洪道上游引渠采用漿砌石護(hù)面，平均糙率為0.0225，對(duì)應(yīng)模型糙率為0.0112，采用水泥砂漿抹面制作，糙率控制在0.011～0.012之間；閘室段、泄槽段、挑流段為混凝土抹面，平均糙率為0.0155，對(duì)應(yīng)模型糙率為0.008，采用有機(jī)玻璃制作，糙率控制在0.008～0.009，略大于實(shí)際值；上下游河道地形及鉛絲石籠防護(hù)區(qū)，平均糙率0.03，對(duì)應(yīng)模型糙率為0.0149，采用粗糙水泥抹面，糙率控制在0.014～0.015，可基本滿足模型與原型的糙率相似。

本研究的主要量測(cè)對(duì)象包括壓強(qiáng)、流速、流量、水位等參數(shù)。試驗(yàn)中采用荷蘭Delft水力試驗(yàn)中心的P-EMS二維電磁流速儀量測(cè)沿程流速，量測(cè)精度0.005m/s。同時(shí)在上游有壓圓管段安裝電磁流量計(jì)，量測(cè)精度0.5%，下游安裝有快速閥門，以精確控制進(jìn)水流量。模型上下游沿程布置水位測(cè)針，量測(cè)精度0.1mm。

2.3 下游動(dòng)床沖刷料選擇

溢洪道挑坎下游消能區(qū)，采用動(dòng)床模擬基巖沖刷，挑流水舌下游水墊沖刷深度采用式（1）計(jì)算，綜合沖刷系數(shù)，取K=1.25，與設(shè)計(jì)值1.2相比偏于安全。

沖刷系數(shù)K值與抗沖流速V之間滿足式 （2），根據(jù)沖刷系數(shù)的取值，換算得到本次試驗(yàn)的基巖抗沖流速指標(biāo)為8.8m/s。

基巖抗沖流速與基巖散粒體沖刷直徑的關(guān)系，滿足式（3），根據(jù)模型試驗(yàn)比尺換算得到動(dòng)床沖刷散粒體粒徑為2～5cm，平均粒徑3cm。

溢洪道挑坎下游消能區(qū)地形初始高程取35.0m。

3 溢洪道泄流能力及消能效果分析

3.1 溢洪道泄流能力驗(yàn)證試驗(yàn)及成果分析

溢洪道泄流能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，特征庫水位溢洪道泄流能力計(jì)算值與試驗(yàn)值如表2。

表1 溢洪道敞泄泄流能力試驗(yàn)結(jié)果

表2 特征庫水位～溢洪道泄流能力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

溢洪道泄流能力通常采用綜合流量系數(shù)m′表示，包含了上游庫區(qū)地形、引渠長度、堰面曲線、側(cè)收縮、閘孔開啟方式等條件的影響，其值采用式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中 Q為流量（m3/s）；H為上游水位（m）；B為孔口總寬（m），取62.5m；H0為溢流堰頂高程（m），取53.51m。

溢洪道綜合流量系數(shù)擬合結(jié)果如圖1，其擬合曲線表達(dá)式為：

圖1 溢洪道流量系數(shù)擬合結(jié)果

將式（5）代入式（4）得到溢洪道上游水位～流量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線，如圖2。

圖2 上游水位與泄量擬合關(guān)系曲線

3.2 溢洪道消能沖刷試驗(yàn)研究

3.2.1 出口體型初始設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

溢洪道出口體型初始挑坎曲線如圖3，反弧段半徑45m，挑角26°，挑坎高程43.59m，上游渥奇曲線方程為y=0.01x2。挑流沖刷試驗(yàn)工況如表3，消能區(qū)下游為急流流態(tài)，河道水位對(duì)于消能區(qū)水墊深度無影響。

圖3 溢洪道出口段體型優(yōu)化方案

表3 溢洪道出口體型方案試驗(yàn)研究工況

試驗(yàn)表明：隨著泄洪流量的增大，溢洪道出口水流挑距從11m增大到33m，下游沖刷區(qū)從出口下游5～20m，下移至15～110m。隨著泄洪流量增大沖刷坑深度也逐漸加深，在校核（洪水頻率0.05%）泄洪流量4476m3/s條件下，沖坑最低點(diǎn)高程11.7～12.0m，較初始高程35.0m、沖深約23m，兩岸邊墻附近最低沖刷高程19.0m，沖深約16m。

試驗(yàn)表明：泄量從0逐漸增大到500m3/s時(shí)，挑坎反弧內(nèi)形成水躍狀橫軸水流，水流沿挑坎自由跌落，不能挑射。試驗(yàn)還觀察到當(dāng)挑坎內(nèi)無水時(shí)，泄量在500m3/s時(shí)下泄水流在慣性作用下可以挑出去，形成挑流（泄量500m3/s定義為最小起挑流量），此時(shí)測(cè)得挑距為11.5m。

3.2.2 出口體型修正方案試驗(yàn)研究

鑒于在中小流量下，溢洪道水流無法正常起挑，需對(duì)出口體型進(jìn)一步優(yōu)化，先后進(jìn)行了28°，18°，10°等3種挑角進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，最終提出了出口體型修正挑坎曲線，如圖3。

試驗(yàn)方案中，反弧段底弧半徑由初始方案的45m增大到90m，出口挑角由初始的28°減小到10°，上游渥奇段曲線方程由初始的修改為，出口高程仍維持在43.59m。該方案具有兩個(gè)特點(diǎn)：①出口反弧段曲線平順，泄槽水流水平方向動(dòng)量增大，保證在小流量條件下亦可起挑；②渥奇段曲線抬升，可避免在小流量條件下出現(xiàn)局部負(fù)壓的問題。敏感試驗(yàn)結(jié)果表明，該體型方案在泄洪流量200m3/s時(shí)，水流均能正常起挑，具體流態(tài)如圖4。

圖4 上游水位58.22m，泄洪流量200m3/s，溢洪道出口流態(tài)

將出口體型優(yōu)化方案與初始方案沖刷數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。兩者對(duì)比結(jié)果表明：

（1）兩種方案在坎下消能沖刷區(qū)的位置大致相同，分布范圍在坎下5～110m。

（2）在500m3/s與1000m3/s洪水條件下，消能區(qū)沖坑底部高程31～32m，兩側(cè)邊墻沖刷底部高程34～35m，上述數(shù)據(jù)可作為挑坎與邊墻基礎(chǔ)防護(hù)設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

（3）在5孔全開，設(shè)計(jì)流量3236m3/s條件下，優(yōu)化方案沖坑底部高程22m，較初始設(shè)計(jì)方案抬升2m，在校核流量4476m3/s條件下，優(yōu)化方案沖刷底部高程17m，較初始設(shè)計(jì)方案抬升5m。優(yōu)化效果明顯。

表4 兩種體型方案不同泄洪條件下的消能沖刷特征值

4 結(jié)語

（1）校核洪水工況下，溢洪道泄流能力試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值相比偏小1%左右，設(shè)計(jì)采用泄量基本安全可靠。

（2）溢洪道出口挑流體型初始方案，在小流量工況下，出口反弧段出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，水流無法正常起挑；出口挑角調(diào)整為10°，反弧半徑增大到90m，同時(shí)渥奇段曲線適當(dāng)抬升，在中小流量條件下，水流可順利起挑。溢洪道出口體型優(yōu)化后，在小洪水條件下，水流挑距比初始設(shè)計(jì)方案增大5～10m，在大洪水條件下，水流挑距基本與初始方案相當(dāng)，分布范圍在坎下5～110m。

（3）溢洪道出口體型優(yōu)化方案，在水流起挑與下游沖刷兩個(gè)方面，均優(yōu)于初始體型方案，故推薦設(shè)計(jì)采用。