前坪水庫(kù)建筑物合理性?xún)?yōu)化布置試驗(yàn)及分析

趙雪萍，趙玉良，李宜倫，李松平，李磊，崔洪濤

(1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 2.河南省科達(dá)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；3.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003； 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著中國(guó)特色社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)入新時(shí)代，國(guó)家提出繼續(xù)深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，要加速重點(diǎn)水利工程建設(shè)，充分發(fā)揮水利建設(shè)投資的拉動(dòng)作用，這勢(shì)必會(huì)加快我國(guó)重大水利工程的建設(shè)步伐。

前坪水庫(kù)是一座以防洪為主，兼顧灌溉、供水和發(fā)電的大型水庫(kù)，工程總投資44.6億元，控制流域面積1 325 km2。前坪水庫(kù)的修建不僅能極大地提高北汝河和沙潁河的防洪標(biāo)準(zhǔn)，而且能有效保護(hù)其下游二廣高速公路、寧洛高速公路、焦枝鐵路等交通設(shè)施的安全。而水庫(kù)建筑物布置得是否合理對(duì)水庫(kù)防洪能力有較大的影響，所以，對(duì)前坪水庫(kù)建筑物進(jìn)行合理性?xún)?yōu)化布置就顯得尤為重要。

1 工程概況

河南省前坪水庫(kù)樞紐工程位于洛陽(yáng)市汝陽(yáng)縣城以西9 km的前坪村，是國(guó)家172項(xiàng)重大水利工程建設(shè)項(xiàng)目之一，總庫(kù)容5.93億m3，為Ⅱ等大(2)型工程。水庫(kù)泄水建筑物主要由泄洪洞、溢洪道、輸水洞、灌溉閘、退水閘等組成。溢洪道布置在大壩左岸，總長(zhǎng)415 m，引水渠長(zhǎng)252 m，閘室長(zhǎng)40 m，泄槽段長(zhǎng)123 m。閘室結(jié)構(gòu)形式為開(kāi)敞式實(shí)用堰，堰頂高程為403.00 m，總共有5孔，每孔凈寬為15 m，閘室長(zhǎng)度40 m、寬度87 m，下游為泄槽段和消能段，采用挑流消能。泄洪洞總長(zhǎng)671 m，進(jìn)口洞底高程為360.00 m，控制段采用閘室有壓短管形式，閘孔尺寸為6.5 m×7.5 m(寬×高)，洞身采用無(wú)壓城門(mén)洞型隧洞，斷面尺寸為7.5 m×8.4 m+2.1 m(寬×直墻高+拱高)，洞身段長(zhǎng)度為506 m，出口消能方式采用挑流消能，前坪水庫(kù)樞紐工程平面布置如圖1所示。

圖1 前坪水庫(kù)樞紐工程平面布置圖

為驗(yàn)證前坪水庫(kù)泄水建筑物原設(shè)計(jì)體型布置的合理性，本文采用幾何比尺λL=90的整體正態(tài)模型試驗(yàn)，分析各泄水建筑物的水力特性，并針對(duì)存在問(wèn)題的原設(shè)計(jì)方案提出建筑物體型優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，體型優(yōu)化后的建筑物的試驗(yàn)結(jié)果可為該工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供可靠的理論依據(jù)。

2 模型試驗(yàn)研究

2.1 模型的制作

按弗勞德定律設(shè)計(jì)模型，模型幾何比尺λL=90、流速比尺λV=9.487、流量比尺λQ=76 843、糙率比尺λn=2.117、時(shí)間比尺λt=9.487。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，原河道糙率n為0.035～0.038，依據(jù)阻力相似準(zhǔn)則，模型糙率應(yīng)控制在0.017～0.018[1]范圍內(nèi)。故模型河道采用水泥粗砂漿粉面拉毛；溢洪道和泄洪洞進(jìn)出口均用水泥砂漿抹制成凈水泥表面。原型泄洪洞及溢洪道均為混凝土襯砌，糙率值取0.015[2]，按規(guī)程要求[4],模型糙率為0.007 1，因有機(jī)玻璃的糙率為0.007～0.008[3]，故泄洪洞進(jìn)口及洞身和溢洪道閘室及泄槽均用有機(jī)玻璃制作。試驗(yàn)所有儀器設(shè)備均符合《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL 155—2012)[4]的要求。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共分為3種特征工況：①50年一遇洪水，庫(kù)水位417.20 m，泄洪洞單獨(dú)敞泄；②500年一遇設(shè)計(jì)洪水，庫(kù)水位418.36 m，泄洪洞和溢洪道聯(lián)合敞泄；③5 000年一遇校核洪水，庫(kù)水位422.41 m，泄洪洞和溢洪道聯(lián)合敞泄。

3 水流特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

水流特性試驗(yàn)是定床試驗(yàn)。模型試驗(yàn)范圍：上游取壩軸線向上1 200 m，下游取壩軸線向下1 000 m。

3.1 泄流能力

泄洪洞泄流能力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知：在工況①時(shí)，泄洪洞實(shí)測(cè)泄洪流量為1 391 m3/s，比設(shè)計(jì)值1 334 m3/s大57 m3/s，超泄4.27%；在工況②時(shí)，泄洪洞實(shí)測(cè)泄洪流量為1 399 m3/s，較設(shè)計(jì)值1 350 m3/s大49 m3/s，超泄3.63%；在工況③時(shí)，泄洪洞泄洪流量為1 451 m3/s，較設(shè)計(jì)值1 402 m3/s大49 m3/s，超泄3.50%。此試驗(yàn)結(jié)果表明，泄洪洞的泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

泄洪洞和溢洪道聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，泄流能力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：在工況②時(shí)，泄洪流量為10 755 m3/s，較設(shè)計(jì)值9 998 m3/s大757 m3/s，超泄7.57%；在工況③時(shí)，泄洪流量為14 951 m3/s，較設(shè)計(jì)值13 686 m3/s大1 265 m3/s，超泄9.24%。此結(jié)果說(shuō)明，泄洪洞的泄流能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 泄洪洞泄流能力試驗(yàn)結(jié)果

表2 溢洪道和泄洪洞聯(lián)合應(yīng)用時(shí)泄流能力試驗(yàn)結(jié)果

3.2 水流流態(tài)及流速

在500年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)(工況②)，庫(kù)區(qū)水面平穩(wěn)，溢洪道進(jìn)口右岸受導(dǎo)墻影響產(chǎn)生繞流，并延續(xù)到閘室右側(cè)邊孔，這在一定程度上會(huì)影響溢洪道的泄流能力，進(jìn)口樁號(hào)0—050處流速約4.63 m/s。引渠左岸水流流態(tài)好，水流經(jīng)過(guò)閘室以后在閘墩尾部形成水翅，經(jīng)泄槽由挑流鼻坎入下游河道，挑射水流在尾水中發(fā)生激烈的沖擊、擴(kuò)散，挑流鼻坎處流速約12.69 m/s。泄洪洞進(jìn)口水流平順，水流經(jīng)洞身流出經(jīng)擴(kuò)散挑射入下游河道，但由于擴(kuò)散角和挑射角度的問(wèn)題，擴(kuò)散水流部分打在兩側(cè)的護(hù)坡上，致使泄洪洞出口水流不是很順暢。由于對(duì)面山體的阻擋，經(jīng)挑射下泄的大部分水流遇山體阻擋后沿河道向右直接橫向流入下游主河道，流速約為10 m/s；一小部分水流遇山體阻擋后流向左側(cè)泄洪洞進(jìn)口下游，產(chǎn)生逆時(shí)針?shù)鰷u，水流旋滾劇烈。下泄水流在流入主河道前，右側(cè)部分水流受右岸凸出山體的阻擋，產(chǎn)生順時(shí)針?shù)鰷u，漩渦流速3.04 m/s。

在5 000年一遇校核洪水時(shí)(工況③)，水流流態(tài)和500年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)的基本一致，如圖2和圖3所示。但閘室進(jìn)口右側(cè)進(jìn)流受繞流影響更加明顯，并延續(xù)到閘室右側(cè)兩孔。下游河道流速約10.7 m/s，漩渦流速3.59 m/s。

圖2 工況③時(shí)溢洪道進(jìn)口水流流態(tài)

圖3 工況③時(shí)下游河道水流流態(tài)

3.3 動(dòng)水時(shí)均壓力及沿程水面線

溢洪道共埋設(shè)測(cè)壓管16個(gè)，泄洪洞共埋設(shè)測(cè)壓管16個(gè)。3種工況下，溢洪道和泄洪洞全程均無(wú)負(fù)壓。

試驗(yàn)采用固定測(cè)針和活動(dòng)測(cè)針相結(jié)合來(lái)觀測(cè)水位，根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果可知，各特征工況下水流都沒(méi)有超過(guò)邊墻，說(shuō)明邊墻高度設(shè)計(jì)合理。由于溢洪道閘室進(jìn)口右側(cè)受繞流影響，試驗(yàn)選取樁號(hào)分別為0—020、0—050和0—070的3個(gè)斷面來(lái)測(cè)量進(jìn)口橫向水流，每個(gè)斷面順?biāo)鞣较蚍譃樽?、中、?個(gè)測(cè)點(diǎn)，左、右測(cè)點(diǎn)分別是斷面最左和最右點(diǎn)，中間測(cè)點(diǎn)處于斷面中軸線位置，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 溢洪道進(jìn)口斷面橫向水面線

根據(jù)表3可知：水位左高右低，且沿水流方向水位逐漸下降；主流偏左，斷面橫向水位差沿水流方向逐漸增大；500年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，樁號(hào)0—020斷面橫向最大水位差約1.91 m；5 000年一遇校核洪水時(shí)，樁號(hào)0—020斷面橫向最大水位差約2.36 m。

4 下游消能沖刷試驗(yàn)結(jié)果

圖4 原、模型河道覆蓋層顆粒級(jí)配曲線對(duì)比圖

試驗(yàn)工況①時(shí)，泄洪洞的挑距為43.80 m，泄洪洞沖坑最深點(diǎn)高程為329.52 m；溢洪道的挑距為103.20 m，溢洪道沖坑最深點(diǎn)高程為322.75 m。

試驗(yàn)工況②時(shí)，泄洪洞的挑距為45.98 m，泄洪洞沖坑最深點(diǎn)高程為329.20 m；溢洪道的挑距為114.80 m，溢洪道沖坑最深點(diǎn)高程為322.70 m。沖刷坑形狀如圖5所示。

試驗(yàn)工況③時(shí)，泄洪洞的挑距為47.88 m，泄洪洞沖坑最深點(diǎn)高程為327.40 m；溢洪道的挑距為120.95 m，溢洪道沖坑最深點(diǎn)高程為316.40 m。沖刷坑形狀如圖6所示。

圖5 工況②時(shí)的下游沖刷坑

圖6 工況③時(shí)的下游沖刷坑

5 體型優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

5.1 溢洪道進(jìn)口體型優(yōu)化方案

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溢洪道進(jìn)口右側(cè)受導(dǎo)墻影響產(chǎn)生繞流，導(dǎo)墻內(nèi)外水位落差大，溢洪道閘前水位左高右低，斷面橫向水位差較大，在一定程度上影響溢洪道的泄流能力[8-10]。為此，對(duì)溢洪道進(jìn)水渠右側(cè)導(dǎo)墻進(jìn)行優(yōu)化[11-13]，通過(guò)多方案的對(duì)比，最終選取了以下兩種修改方案為推薦方案，分別如圖7和圖8所示，圖中R為圓弧面半徑，α為圓弧面走向轉(zhuǎn)角，a、b分別為橢圓弧面的長(zhǎng)、短半軸。

圖7 方案一(直線L+3段圓弧O1、O2、O3)

圖8 方案二(直線L+1/4橢圓O)

體型優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9和圖10所示。圖9和圖10的試驗(yàn)結(jié)果表明，2種修改方案下溢洪道進(jìn)口右側(cè)水面波動(dòng)較小，回流區(qū)面積大幅減小，進(jìn)口斷面橫向水位差明顯減小，水流流態(tài)比原方案的明顯改善，且方案一和方案二在5 000年一遇校核水位的下泄量比原方案的分別增加27 m3/s和22 m3/s。

圖9 方案一的試驗(yàn)結(jié)果

圖10 方案二的試驗(yàn)結(jié)果

5.2 泄洪洞出口體型優(yōu)化方案

由于擴(kuò)散和挑射角度[14]的問(wèn)題，泄洪洞出口水流不是很順暢，擴(kuò)散水流部分打在兩側(cè)的護(hù)坡上，為此進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)。原方案反弧半徑R=42.5 m、挑射角為27.4°、挑流鼻坎高程356.51 m。通過(guò)多次比對(duì)試驗(yàn)，修改方案反弧半徑R=16 m、挑射角為33.27°、挑流鼻坎高程351.75 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案在橫向和縱向較充分地分散了挑射水流，使單寬流量減小，也減輕了挑射水流對(duì)下游河床的沖刷。

6 結(jié)論和建議

文中通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究了前坪水庫(kù)各泄水建筑物的水力學(xué)特性，驗(yàn)證了建筑物原設(shè)計(jì)體型布置方案的合理性，并提出了優(yōu)化的泄水建筑物進(jìn)出口體型。通過(guò)沖刷消能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水流對(duì)下游山體造成一定的沖刷，建議對(duì)泄水建筑物出口的下游山體做好防護(hù)措施。

文中的研究成果可為前坪水庫(kù)工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供可靠的理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考價(jià)值。