清溪水庫泄洪閘水力特性及調(diào)節(jié)池優(yōu)化試驗研究

林道通，周盛侄，徐 崗，屠興剛，王 丹

（1.浙江省寧?？h水利局，浙江 寧海 315600；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310017）

1 概況

清溪水庫工程位于清溪干流寧?？h境內(nèi)的遼車村，距桑洲鎮(zhèn)4.0 km，距寧?？h城43.6 km，涉及臺州市天臺縣、三門縣和寧波市寧?？h。壩址以上流域面積92.5 km2，多年平均入庫徑流量為2 283 萬m3。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a 一遇，壩下消能防沖按30 a一遇洪水設(shè)計。大壩壩頂高程115.00 m，最大壩高96 m，總庫容8 661 萬m3，配套電站可裝機(jī)3.0 MW，輸水設(shè)計流量為2.17 m3/s。工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，是一座以供水、防洪為主，兼顧水環(huán)境改善、灌溉、發(fā)電等綜合利用的水利工程。

壩址兩岸山體雄厚，地形陡峻，“U”型河谷底寬95～110 m，厚度變化較大的沖洪積砂礫石層在河谷中堆積。工程主要由擋水建筑物、泄水建筑物（壩身溢洪道）、放水建筑物、發(fā)電引水建筑物（電站廠房、引水堰壩等）和輸水建筑物等組成，平面布置見圖1。泄水建筑物采用表孔泄洪閘，設(shè)有3 孔，每孔凈寬10 m，堰頂高程104.50 m。溢流堰采用WES 型實用堰，堰頂設(shè)2 m 平臺，采用挑流消能。引水堰壩位于大壩下游約400 m 處，為混凝土壩，按50 a 一遇洪水設(shè)計，100 a 一遇洪水校核，溢流壩段長70 m，堰頂高程為50.00 m，壩高14 m，溢流壩采用WES 實用堰，消力池深2 m，長30 m。

圖1 清溪水庫工程平面布置示意圖

受地形地貌、河道走勢、樞紐平面布置等因素影響，泄洪建筑物的溢流特性及消能防沖問題極其復(fù)雜。從文獻(xiàn)資料來看，以往物理模型以及數(shù)學(xué)模型的研究成果多針對溢洪道的局部水力學(xué)問題，如堰體形式、挑流鼻坎形式、下游河床沖淤特性等，而對于泄洪建筑物整體的研究較少。另外，非常規(guī)堰型的堰流特性、調(diào)節(jié)池泄洪流態(tài)，砂礫石覆蓋層沖淤特征等問題也需進(jìn)一步深入研究。鑒于此，本文通過開展清溪水庫水工整體物理模型試驗，探討泄洪閘的泄流能力、水流特性、調(diào)節(jié)池流態(tài)及河床砂礫石覆蓋層沖淤特性等，成果驗證優(yōu)化了泄水建筑物的整體設(shè)計與布置，為類似工程提供參考。

2 模型設(shè)計

模型試驗范圍包括模擬上游庫區(qū)、下游河道及溢流壩段、引水堰壩、跨河橋梁等樞紐建筑物。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，比例尺為1：40，模型布置見圖2。

圖2 模型布置圖 單位：m

模型由庫區(qū)、攔河壩段、溢流壩段、調(diào)節(jié)池、引水堰壩和下游河道等組成，其中溢流壩段采用有機(jī)玻璃制作。為保證庫區(qū)進(jìn)口流態(tài)相似，上游庫區(qū)橫向模擬泄洪中心線左側(cè)100 m 至右側(cè)120 m 范圍；順?biāo)鞣较蛏嫌文M至壩上400 m，地形模擬至95.00～105.00 m 高程；下游模擬至壩下700 m，地形模擬至50.00～70.00 m 高程。壩下游調(diào)節(jié)池河床按動床模擬，其余地形按定床模擬。

調(diào)節(jié)池動床模擬至基巖，鋪沙高程為28.00～35.00 m。采用幾何相似，按照原型沙級配選配模型沙，同時結(jié)合啟動流速和調(diào)節(jié)池水動力特性，粒徑d≥160 mm 用160 mm 模型沙替代，粒徑d≤1 mm 不考慮，原型沙及模型沙級配曲線見圖3。由模型沙中值粒徑d50=11 mm 折算成原型沙中值粒徑為45 mm，相較原型沙實際中值粒徑（d50=57 mm）偏小，啟動流速偏小，試驗成果偏于安全。

圖3 原型沙及模型沙級配曲線圖

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗工況

模型試驗選取100 a 一遇設(shè)計和1 000 a 一遇校核2 組特征工況（見表1）。

表1 試驗工況表

3.2 泄洪閘泄流能力

清溪水庫壩身泄洪閘共設(shè)3 孔，每孔凈寬10 m，堰面型式及曲線方程見圖4，泄流能力見圖5。

圖4 泄洪閘堰面型式及曲線方程圖

圖5 泄洪閘泄流能力圖

由圖5 可知，試驗觀測的水位流量曲線均在設(shè)計水位流量曲線上方。同一水位時，實測流量大于設(shè)計值，說明泄洪閘的泄流能力有一定富余，滿足設(shè)計要求。泄洪閘綜合流量系數(shù)采用堰流公式（1）計算：

式中：m為流量系數(shù)；Q為泄流流量，m3/s；H0為堰頂水頭（忽略庫區(qū)行近水頭，則H0=Z-104.5），m；Z為庫水位，m；B為泄洪閘總凈寬，30 m；g為重力加速度，取9.81 m/s2。其中，流量系數(shù)m為0.435～0.458，且隨著庫水位升高逐漸增大，符合堰流一般規(guī)律。流量系數(shù)略小于標(biāo)準(zhǔn)WES 曲線，偏小5%左右。

3.3 溢流堰面壓力、空化數(shù)及流速分布

為分析溢流壩段體型設(shè)計的合理性，模型試驗在溢流中心線布置17 個測壓點，沿程壓力分布見圖6。由于泄洪閘設(shè)3 孔，相鄰兩孔間由閘墩（墩厚2.5 m）分割，閘墩下游堰面由于無隔墻而形成一個整體泄槽，兩邊孔和中孔進(jìn)流條件不盡相同，水深和流速有所差異，為保障工程安全，流速取相對大值，沿程流速分布見圖7。同時根據(jù)實測壓力及流速數(shù)據(jù)，分別計算溢流壩段沿程的水流空化數(shù)（見圖6）。

圖6 溢流壩段沿程壓力及空化數(shù)圖

圖7 溢流壩段沿程流速分布圖

由圖6～7 可看出：①沿程壓力分布。P=0.1%和P=1.0%工況，泄洪閘堰頂上游側(cè)壓力沿程增大，堰頂下游側(cè)壓力沿程降低，在距壩軸線6.85～11.65 m 范圍的測點出現(xiàn)負(fù)壓，其最大負(fù)壓值分別為1.10×9.81 kPa 和0.26×9.81 kPa，最大負(fù)壓滿足規(guī)范要求。1：0.75 泄槽段整體壓力均較小，校核和設(shè)計工況最小值均出現(xiàn)在27.18 m 附近，其值分別為1.45×9.81 kPa、0.85×9.81 kPa。反弧段壓力較大，至挑流鼻坎末端逐漸降低，校核和設(shè)計工況壓力值分別為（2.52～8.06）×9.81 kPa、（1.64～4.66）×9.81 kPa。②沿程流速分布?？傮w上，溢流壩段堰頂至挑流鼻坎末端流速逐漸增大，進(jìn)口流速最小，鼻坎末端流速達(dá)到最大值。校核和設(shè)計洪水位堰頂、WES 曲線段、1：0.75 陡槽段、反弧段平均流速分別為7.6～9.2 m/s、13.3～18.1 m/s、20.7～30.1 m/s、31.0～32.0 m/s。③水流空化數(shù)。校核和設(shè)計工況下，1：0.75 泄槽段水流空化數(shù)較大，反弧段以及與1：0.75 直線段的過渡區(qū)水流空化數(shù)為0.25～0.33，基本處于光滑陡槽常規(guī)的初生水流空化數(shù)的臨界值0.30 附近。按照規(guī)范給定的空化空蝕破壞的判別標(biāo)準(zhǔn)，該段易發(fā)生空蝕破壞。因此，在施工過程中除了需要嚴(yán)格控制過流面的施工平整度之外，還需要采取其他措施，如提高混凝土標(biāo)號、增加鋼板護(hù)面等，確保結(jié)構(gòu)安全。

3.4 調(diào)節(jié)池流態(tài)及優(yōu)化

原方案試驗觀測表明：壩下調(diào)節(jié)池內(nèi)流態(tài)差，主流偏向右岸并直接頂沖引水堰右側(cè)副壩，左右兩側(cè)均為回流，流速較大；引水堰堰頂流速分布不均，流向不正偏向左岸側(cè)。

通過多個比選方案研究分析，最終提出的優(yōu)化調(diào)整措施為：①溢流壩段整體向左岸側(cè)移動5.0 m；②下游引水堰壩溢流壩段由原來的78 m 增加至85 m，溢流中心線向右岸平移6.5 m；③調(diào)節(jié)池內(nèi)覆蓋層預(yù)挖至基巖（高程28.00 m）。

由優(yōu)化前、后流態(tài)（見圖8）可知：優(yōu)化方案調(diào)節(jié)池流態(tài)有明顯改善，水舌入水后，主流基本在河道中心，兩側(cè)回流范圍減小，回流流速降低，引水堰堰頂流速分布均勻度提高。①P=0.1%工況，電站處（壩下200～300 m）回流流速為2.5 m/s，下降50%左右；右岸回流流速為2.0～3.5 m/s，下降20%左右；主流（壩下300 m 中心線處）流速8.5 m/s，下降25%左右。②P=1.0%工況，左岸壩下100～150 m 范圍回流消失，電站及取水口處回流流速由原方案的1.4～5.0 m/s 降低至2.2～2.4 m/s，降幅40%～70%；右岸壩下100～300 m 斷面回流流速為2.2～3.5 m/s，流速較原方案均有較大程度的降低；主流流速為7.0 m/s，下降10%左右；引水堰堰頂流速均勻度提高11%。

圖8 壩下調(diào)節(jié)池優(yōu)化前、后流態(tài)對比圖

3.5 調(diào)節(jié)池沖淤形態(tài)

從沖淤形態(tài)來看，校核和設(shè)計工況沖淤地形形態(tài)基本一致。水舌落點附近，引水堰壩右岸堰前區(qū)域，電站及取水口附近3 個區(qū)域出現(xiàn)沖刷，其余區(qū)域呈淤積形態(tài)。水舌落點附近及引水堰壩右岸堰前區(qū)域，沖刷至基巖，未達(dá)到穩(wěn)定沖刷坑深度，水舌落點附近沖刷坑離左岸邊坡較近。水舌點及主流區(qū)，小粒徑的泥沙一部分沖刷至下游，一部分淤積在壩腳處，取水口可見細(xì)顆粒泥沙淤積。其中，①P=0.1%工況，水舌落點附近壩下110～260 m 縱向范圍、壩下320 m 至堰前、電站及取水口3 個沖刷區(qū)域，大部分沖刷至基巖（高程28.00 m）；淤積區(qū)域最大高程44.20 m。②P=1.0%工況，水舌落點附近壩下140～215 m 縱向范圍和壩下320 m 至堰前兩個區(qū)域部分沖刷至基巖，淤積區(qū)域最大高程39.50 m，取水口可見細(xì)顆粒泥沙淤積（見圖9）。

圖9 P=1.0%工況沖刷形態(tài)圖

調(diào)節(jié)池沖淤試驗成果表明，泄洪過程中被沖起的細(xì)顆粒泥沙會進(jìn)入引水隧洞，不僅影響水質(zhì)，還可能引起隧洞淤積；同時沖刷坑離左岸邊坡較近，易引發(fā)邊坡失穩(wěn)。因此，建議將調(diào)節(jié)池內(nèi)的砂礫石覆蓋層清除并進(jìn)行襯砌，復(fù)核邊坡防沖能力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保工程結(jié)構(gòu)安全和供水安全。

4 結(jié) 論

1：40 水工物理模型試驗結(jié)果表明，清溪水庫大壩壩身泄洪閘規(guī)模及溢流堰體型均滿足設(shè)計要求。優(yōu)化方案調(diào)節(jié)池流態(tài)明顯改善，調(diào)節(jié)池沖刷坑離左岸邊坡較近，細(xì)顆粒泥沙會進(jìn)入引水隧洞內(nèi)，影響供水保證率。建議加強(qiáng)邊坡抗沖設(shè)計，將調(diào)節(jié)池內(nèi)覆蓋層清除并襯砌，確保工程及供水安全。研究成果可為該工程設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)，并為類似工程設(shè)計提供參考和借鑒。