梁河水庫泄洪洞模型試驗(yàn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化

邱海娟

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730000）

1 概況

梁河水庫位于莊浪縣北洛河支流南河上，是以農(nóng)村人飲供水為主的水源工程，水庫總庫容165.4萬m3，屬Ⅳ等小（1）型工程。工程主要由均質(zhì)土壩、泄洪建筑物、輸水管及上壩管理道路組成。最大壩高41.7 m。本樞紐工程防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水頻率為30年一遇，洪峰流量為60.1 m3/s；校核洪水頻率為300年一遇，洪峰流量為146 m3/s；消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量為48.2 m3/s。泄洪兼導(dǎo)流洞為本工程的主要泄洪建筑物。

2 泄洪洞水力設(shè)計(jì)

2.1 泄洪方式

由于本工程左岸邊坡較陡，且需布置上壩道路，在左岸布置開敞式溢洪道后形成高邊坡且投資大，因此本工程泄洪建筑物布置采用泄洪洞與溢洪道合二為一相結(jié)合，進(jìn)水塔后共用同一隧洞的泄洪方式。設(shè)計(jì)塔式進(jìn)水口單側(cè)豎井式溢洪道三面自由溢流實(shí)用堰長23.5 m，最大泄量為43.8 m3/s。泄洪洞進(jìn)口為一有壓短洞，其后的洞身為無壓流，運(yùn)行在校核洪水下為全開狀態(tài)，其他均為局部開啟，校核洪水位時(shí)泄洪洞最大泄量95.7 m3/s。在此重點(diǎn)論述泄洪洞及出口消力池的水力設(shè)計(jì)。

2.2 泄洪洞水力設(shè)計(jì)

泄洪兼導(dǎo)流洞布置在右壩肩山體內(nèi)，為一無壓城門洞形隧洞，塔式進(jìn)水口后接漸變段與洞身段相接，隧洞出口通過漸變段與消能段銜接。泄洪兼導(dǎo)流洞總長312.01 m，其中：塔式進(jìn)水口后接漸變段與泄洪洞相接，漸變段長35 m，漸變段內(nèi)設(shè)有長5 m的導(dǎo)流墩將水流平順的導(dǎo)入泄洪洞。為改善進(jìn)水口水翅現(xiàn)象，在漸變段到隧洞彎道段前端的洞內(nèi)設(shè)置壓水板，壓水板下緣位于隧洞直墻段與圓拱段交界處，漸變段壓水板縱坡與漸變段頂板平行，直道段壓頂板縱坡與洞底平行。隧洞洞身段長277.01 m，隧洞縱坡設(shè)計(jì)采用1/11.5，隧洞進(jìn)口底板高程2160.00 m，隧洞出口底板高程2132.87 m。隧洞為無壓城門洞，洞寬3.6 m，洞高4.6 m。

泄洪兼導(dǎo)流洞洞前流態(tài)判別及計(jì)算參照水力設(shè)計(jì)手冊(cè)（中國水利水電出版社）中關(guān)于隧洞水力計(jì)算相關(guān)公式，首先根據(jù)隧洞洞前水深進(jìn)行流態(tài)判別，對(duì)于陡坡隧洞，可根據(jù)以下公式進(jìn)行判別：

式中：H為以隧洞進(jìn)口底板高程起算的洞前水深，a為洞高。

本工程洞高3.6 m，即當(dāng)洞前水深H＜4.32 m時(shí)隧洞為無壓流，無壓流按照堰流公式計(jì)算；洞前水深4.32＜H＜5.4 m時(shí)為半有壓流，當(dāng)洞前水深H＞5.4 m時(shí)隧洞為有壓流，半有壓流和有壓流均可采用以下公式計(jì)算其泄流能力：

式中：μ為流量系數(shù)，經(jīng)計(jì)算為0.764；ω為隧洞出口斷面面積，m2；T0為上游水面與隧洞出口底板高程的差，m；hp為隧洞出口斷面水流的平均單位勢(shì)能，m。

根據(jù)以上公式計(jì)算，泄洪隧洞出口閘孔全開時(shí)，校核洪水位2184.4 m時(shí)，洞進(jìn)口最大水頭24.4 m，最大泄流量為95.7 m3/s。

2.3 泄洪洞出口消能設(shè)計(jì)

由于泄洪洞單寬流量大，總能頭高，泄洪洞出口處表層為洪積塊石碎石土，厚約9 m。下伏巖性為白堊系砂巖、砂礫巖夾泥質(zhì)砂巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，屬較軟巖，易沖刷，所以泄洪洞出口消能型式采用底流消能。

消力池采用等寬矩形斷面，底板高程2131.68 m，根據(jù)采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》中附錄A.6公式進(jìn)行計(jì)算結(jié)果，池長45 m，池深3.0 m，池寬10 m，側(cè)墻高5.5 m。由于洞出口流速較大，水頭較高，池內(nèi)設(shè)輔助消力墩兩排，第一排消力墩前緣距尾坎26.5 m，設(shè)2個(gè)消力墩，第二排消力墩前緣距尾坎12.5 m，設(shè)3個(gè)消力墩。

3 水工模型試驗(yàn)

由于本工程泄洪洞坡度較陡，流速較大，設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算，因此需要根據(jù)模型試驗(yàn)進(jìn)一步確定計(jì)算參數(shù)。水工模型試驗(yàn)委托河海大學(xué)進(jìn)行，模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)、制作，根據(jù)試驗(yàn)要求模型幾何比尺λL=40，壓強(qiáng)比尺λp=40，流速比尺λV=400.5=6.325，糙率比尺λn=401/6=1.849。通過試驗(yàn)確定以下事項(xiàng)：①研究泄洪洞在各種工況和開度下的過流能力，率定流量系數(shù)；②研究泄洪洞在各種泄流工況下的消力池水流流態(tài)及流速分布，以確定合理的出口消能形式。

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)論及存在問題

（1）泄洪洞泄流能力試驗(yàn)

試驗(yàn)首先根據(jù)原設(shè)計(jì)方案制作水工模型進(jìn)行試驗(yàn)，校核洪水位2184.4 m弧門全開時(shí)，下泄流量試驗(yàn)率定結(jié)果為125 m3/s，率定流量系數(shù)為0.98，較理論計(jì)算結(jié)果大，表明設(shè)計(jì)的泄洪洞的斷面能滿足300年一遇的校核洪水泄流。

（2）泄洪洞出口消力池試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)原方案校核洪水情況下游消能情況進(jìn)行測試，泄洪洞進(jìn)口段水流流態(tài)極為復(fù)雜。隨著流量增大，洞內(nèi)水流呈低壓-明滿流狀態(tài)，因進(jìn)口前段水流攜帶大量氣體進(jìn)入泄洪洞，泄洪洞全程水流流態(tài)并不穩(wěn)定。此種工況下，過堰下跌水流不能在消能井內(nèi)消散大部分能量，出泄洪洞水流流速較大，直接沖擊消力池內(nèi)消力墩，形成強(qiáng)烈水濺現(xiàn)象，推測是躍后水深不足以形成水躍引起，說明消力池內(nèi)輔助消能工設(shè)置不甚合理。消力池內(nèi)水流流態(tài)見圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)方案消力池水流流態(tài)

3.2 模型試驗(yàn)對(duì)消力池設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）消力池初步優(yōu)化方案

為改善泄洪洞后消力池消能效果，調(diào)整消力池40.00 m池長為45.00 m，并加高消力池邊墻（最終消力池邊墻高度可參考試驗(yàn)中量測的最高水位確定），暫時(shí)取消消力池內(nèi)輔助消能工（雙排消力墩）。需說明的是，為和原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果進(jìn)行比較，本次試驗(yàn)同樣根據(jù)校核洪水位下運(yùn)行工況的水流流態(tài)判斷修改方案合理性。

此初步優(yōu)化方案在校核水洪位工況下，水流消力池內(nèi)形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍，躍首位于消力池中部，說明需要對(duì)消力池設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。初步優(yōu)化后的消力池內(nèi)水流流態(tài)見圖2。

圖2 初步優(yōu)化后消力池水流流態(tài)

（2）消力池進(jìn)一步優(yōu)化方案

針對(duì)校核洪水位下消力池內(nèi)水流流態(tài)存在躍首位于消力池中部的現(xiàn)象，分別進(jìn)行如下三種消力池優(yōu)化比選方案：

1）在消力池內(nèi)增設(shè)如原設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的消力墩，前排（順?biāo)鞣较颍┰O(shè)置兩個(gè)消力墩，后排設(shè)置三個(gè)消力墩，前墩前緣距尾坎25.5 m，后墩前緣距尾坎11.5 m，同時(shí)，根據(jù)池內(nèi)水深將消力池側(cè)墻由設(shè)計(jì)的5.5 m調(diào)整為8 m。2）在消力池比選方案1基礎(chǔ)上兩排消力墩前移4.00 m，即前墩前緣距尾坎29.5 m，后墩前緣距尾坎15.5 m。3）在消力池比選方案2基礎(chǔ)上兩排消力墩前移2.00 m，即前墩前緣距尾坎31.5 m，后墩前緣距尾坎17.5 m。根據(jù)校核洪水位下泄洪洞與溢流堰聯(lián)合運(yùn)行時(shí)消力池內(nèi)水流流態(tài)分析判斷消力池優(yōu)化比選方案的合理性。

根據(jù)消力池比選方案模型試驗(yàn)中消力池內(nèi)水流流態(tài)，增設(shè)消力墩后，消力池內(nèi)可以形成強(qiáng)迫水躍，隨著消力墩整體前移，水躍躍首亦逐漸前移，消力池比選方案3中，水躍躍首已接近消力池斜坡段末端，亦表明此工況下消力池內(nèi)水躍已接近臨界折坡水躍狀態(tài)。

根據(jù)試驗(yàn)成果，可以說明消力池比選方案3中確定的消力池體型為比選方案中較優(yōu)體型，水流出泄洪洞后在消力池內(nèi)形成完整水躍，水躍在消力池前段區(qū)域內(nèi)發(fā)生，出消力池尾坎水流進(jìn)入下游明渠有一定跌落，水流經(jīng)明渠段后進(jìn)入下游河道。相應(yīng)的消力池水流流態(tài)見圖3，消力池設(shè)計(jì)圖見圖4。

圖3 進(jìn)一步優(yōu)化后消力池水流流態(tài)

圖4 進(jìn)一步優(yōu)化后消力池設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)語

本次泄洪洞設(shè)計(jì)為驗(yàn)證泄洪洞的泄流能力，通過水工模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隧洞泄洪能力較理論計(jì)算具有一定的超泄能力，為工程建成后的運(yùn)行管理提供了依據(jù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)泄洪洞出口消力池的長度、側(cè)墻高度及池內(nèi)輔助消能工的布置進(jìn)行了調(diào)整，達(dá)到工程經(jīng)濟(jì)可靠的目的。