洋河水库除险加固工程溢洪道水力学问题探析

　　摘    要：　通过建立溢洪道整体水工模型，研究各泄流工况下的过流能力及挑流坎体型方案，并提出相应的改善措施。试验表明，校核洪水位下，溢洪道泄流能力试验值与设计值相比偏小1%左右；溢洪道出口挑流体型初始方案在小流量时，挑坎反弧段出现壅水现象，水流无法正常挑出；当挑坎挑角调整成10°，反弧半径增大到90m，渥奇段曲线适当抬升，水流可顺利挑出。通过优化挑坎体型结构，溢洪道在小流量过流时，水流挑距较初始方案增大5～10m，在溢洪道宣泄大流量时，水流挑距与初始方案相当，分布范围在坎下5～110m。溢洪道挑流坎体型优化方案，在水流起挑与下游冲刷两个方面，均优于初始体型方案，为工程设计提供了安全可靠的技术支持。

　　关键词：　溢洪道; 模型试验; 泄流能力; 挑流坎; 冲刷坑;

　　Abstract：　The overflow capacity and the shape scheme of flip bucket on each discharge condition are studied,based on the establishment of the overall hydraulic model of spillway,and the corresponding improvement measures are put forward. The test results show that under the maximum flood level,the test value of spillway discharge capacity is about 1% smaller than the design value. In the initial design of spillway outlet flip bucket shape,when the flow is small,backwater phenomenon of the flip bucket reverse arc section appears,and the flow cannot be carried out normally. When the flip angle of flip bucket is adjusted to 10°,the radius of reverse arc is increased to 90 m,and the Ogee section is raised properly,the flow can be picked out smoothly. When the discharge is small,the flip distance of the spillway increases by 5～10 m compared with the initial design by optimizing the structure of flip bucket,and when the discharge is large,the flip distance of the spillway is equivalent to the initial scheme,the distribution range is 5 ～110 m below the bucket. The shape optimization scheme of spillway flip bucket is superior to the initial shape scheme in the aspects of water lifting and downstream scour. The model test provides safe and reliable technical support for engineering design.

　　Keyword：　spillway; model test; discharge capacity; flip bucket; scour pit;

　　我国大型水库溢洪道多采用水工模型试验方法，验证溢洪道整体布置和泄流能力及消能防冲效果等，近几年修建、改扩建的溢洪道水力条件又多存在水流条件差、河道抗冲刷能力低等不利因素，所以，水工模型试验在溢洪道整体布置和方案选择上显得越来越重要。杨必娴，冉海林[1]通过水工模型试验对马鹿水库溢洪道设计方案的合理性进行了评价，并根据试验成果对溢洪道引渠段、陡坡泄槽段及消力池体型进行优化。吴亮，牧振伟[2]通过水工模型试验，对KLBL水电站溢洪道挑坎体型进行了改进优化，提出采用双曲扩散挑流鼻坎体型。张开玉[3]通过建立荔波平林水电站水工模型，对溢洪道运行的水力特性和体形结构进行研究，优化原有设计提出预防和控制措施。简鸿福等[4]采用模型试验验证和公式推导相结合的方法，研究了军民水库驼峰堰的过堰流态、动水压强分布和泄流能力等水动力特性。诸多的试验研究为溢洪道方案设计提供了技术支持，不仅减少了工程投资，更重要的是提高了水库工程的安全性。
 

　　洋河水库除险加固工程溢洪道[5]采用低实用堰堰型，引水渠布置在弯道上，下游采用收缩泄水陡槽以减少占地，出口采用挑流效能，溢洪道整体布置和水流边界条件相对复杂。通过建立水工模型，模拟部分库区、溢洪道引渠、堰体、泄水陡槽及挑流鼻坎结构，研究溢洪道的泄流能力、陡槽水面线、挑流鼻坎体型及下游冲刷坑安全等水力学问题，为进一步优化溢洪道整体方案设计提供了技术支持。

　　1 、工程概述

　　洋河水库为大（2）型水库工程，坝址位于河北省秦皇岛市洋河干流上，控制流域面积755km2，总库容3.66亿m3。水库以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉及发电等综合利用任务。水库枢纽由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水隧洞、西干渠放水洞、水电站及引青济秦供水工程进水口等建筑物组成[1]。溢洪道位于拦河坝左侧，为开敞式。由上游引水渠段、闸室段、陡坡泄槽段、挑坎段、尾渠段组成。水库工程为Ⅱ等工程，设计标准为100年一遇洪水，溢洪道限泄流量500m3/s；校核标准为2000年一遇洪水，溢洪道最大下泄流量4476m3/s。

　　引水渠段：全长约474m，桩号从引水渠进口至闸室为Y0-474～Y0+000。其中，Y0-074～Y0-020为弯道段，弯道中心半径140m。引水渠底高程为53.00～51.50m，底宽126～70.5m；引水渠为裸露强风化花岗岩，局部破碎处采用浆砌石防护。

　　闸室段：闸室为钢筋混凝土结构，全长24m。闸室溢流堰总宽62.5m，共5孔，每孔净宽12.5m。中墩墩厚2.0m，墩头采用直径为2m的半圆形；溢流堰采用驼峰堰，堰顶高程53.51m，设5扇弧形钢闸门，闸门底位于堰顶最高点下游，高程为53.41m，支绞门轴设计高程60.41m。

　　陡坡泄槽段：全长120m，陡坡段起点高程50.31m，为矩形断面，渠底净宽由70.5m对称收缩至50m，收缩角度为5.85°，收缩段长100m；为使水流保持平顺，后接20m长的等宽段，纵坡1/50。

　　挑坎段：挑坎段与陡坡泄槽段末端连接，包括渥奇曲线段和挑流坎段，初始设计方案的曲线段长26.50m，抛物曲线公式y=0.01x2，挑流段长34.74m，反弧半径45m，挑坎高程43.59m，挑角为26°。

　　尾渠段：尾渠段底宽70m，起点高程38.31m，平均河底高程35.0m，纵坡1/400，全长420m。

　　2 、模型设计与测试手段

　　2.1 、模型范围与相似准则

　　模拟范围包括上游部分库区、溢洪道上游引渠、闸室段、泄槽段、挑流消能段、下游滩地与洋河河道。即从闸室上游至库区，长约500m，到挑流坎下游至洋河主河道，长约800m。正态模型比尺为1∶65[6]。按重力相似准则且满足几何相似：λL=Lp/Lm=65；λA=λL2=4225；λV=λL3=274625；运动相似：λt=λL1/2=8.1；λv=λL1/2=8.1；λa=1.0；λQ=λL5/2=34063；阻力相似：λn=λL1/6=2.0。

　　2.2 、模型设计与测试方法

　　工程建筑物及地形数据采用文献[5]总体平面布置图。溢洪道上游引渠采用浆砌石护面，平均糙率为0.0225，对应模型糙率为0.0112，采用水泥砂浆抹面制作，糙率控制在0.011～0.012之间；闸室段、泄槽段、挑流段为混凝土抹面，平均糙率为0.0155，对应模型糙率为0.008，采用有机玻璃制作，糙率控制在0.008～0.009，略大于实际值；上下游河道地形及铅丝石笼防护区，平均糙率0.03，对应模型糙率为0.0149，采用粗糙水泥抹面，糙率控制在0.014～0.015，可基本满足模型与原型的糙率相似。

　　本研究的主要量测对象包括压强、流速、流量、水位等参数。试验中采用荷兰Delft水力试验中心的P-EMS二维电磁流速仪量测沿程流速，量测精度0.005m/s。同时在上游有压圆管段安装电磁流量计，量测精度0.5%，下游安装有快速阀门，以精确控制进水流量。模型上下游沿程布置水位测针，量测精度0.1mm。

　　2.3 、下游动床冲刷料选择

　　溢洪道挑坎下游消能区，采用动床模拟基岩冲刷，挑流水舌下游水垫冲刷深度采用式（1）计算，综合冲刷系数，取K=1.25，与设计值1.2相比偏于安全。

　　冲刷系数K值与抗冲流速V之间满足式（2），根据冲刷系数的取值，换算得到本次试验的基岩抗冲流速指标为8.8m/s。

　　基岩抗冲流速与基岩散粒体冲刷直径的关系，满足式（3），根据模型试验比尺换算得到动床冲刷散粒体粒径为2～5cm，平均粒径3cm。

　　溢洪道挑坎下游消能区地形初始高程取35.0m。

　　3 、溢洪道泄流能力及消能效果分析

　　3.1、 溢洪道泄流能力验证试验及成果分析

　　溢洪道泄流能力试验数据如表1，特征库水位溢洪道泄流能力计算值与试验值如表2。

　　表1 溢洪道敞泄泄流能力试验结果

　　表2 特征库水位～溢洪道泄流能力计算值与试验值对比

　　溢洪道泄流能力通常采用综合流量系数m′表示，包含了上游库区地形、引渠长度、堰面曲线、侧收缩、闸孔开启方式等条件的影响，其值采用式（4）进行计算：

　　式中Q为流量（m3/s);H为上游水位（m);B为孔口总宽（m），取62.5m;H0为溢流堰顶高程（m），取53.51m。

　　溢洪道综合流量系数拟合结果如图1，其拟合曲线表达式为：

　　图1 溢洪道流量系数拟合结果

　　将式（5）代入式（4）得到溢洪道上游水位～流量的经验关系曲线，如图2。

　　图2 上游水位与泄量拟合关系曲线

　　3.2、 溢洪道消能冲刷试验研究

　　3.2.1、 出口体型初始设计方案试验结果

　　溢洪道出口体型初始挑坎曲线如图3，反弧段半径45m，挑角26°，挑坎高程43.59m，上游渥奇曲线方程为y=0.01x2。挑流冲刷试验工况如表3，消能区下游为急流流态，河道水位对于消能区水垫深度无影响。

　　图3 溢洪道出口段体型优化方案

　　表3 溢洪道出口体型方案试验研究工况

　　试验表明：随着泄洪流量的增大，溢洪道出口水流挑距从11m增大到33m，下游冲刷区从出口下游5～20m，下移至15～110m。随着泄洪流量增大冲刷坑深度也逐渐加深，在校核（洪水频率0.05%）泄洪流量4476m3/s条件下，冲坑最低点高程11.7～12.0m，较初始高程35.0m、冲深约23m，两岸边墙附近最低冲刷高程19.0m，冲深约16m。

　　试验表明：泄量从0逐渐增大到500m3/s时，挑坎反弧内形成水跃状横轴水流，水流沿挑坎自由跌落，不能挑射。试验还观察到当挑坎内无水时，泄量在500m3/s时下泄水流在惯性作用下可以挑出去，形成挑流（泄量500m3/s定义为最小起挑流量），此时测得挑距为11.5m。

　　3.2.2、 出口体型修正方案试验研究

　　鉴于在中小流量下，溢洪道水流无法正常起挑，需对出口体型进一步优化，先后进行了28°，18°，10°等3种挑角进行敏感性试验，最终提出了出口体型修正挑坎曲线，如图3。

　　试验方案中，反弧段底弧半径由初始方案的45m增大到90m，出口挑角由初始的28°减小到10°，上游渥奇段曲线方程由初始的修改为，出口高程仍维持在43.59m。该方案具有两个特点：(1)出口反弧段曲线平顺，泄槽水流水平方向动量增大，保证在小流量条件下亦可起挑；(2)渥奇段曲线抬升，可避免在小流量条件下出现局部负压的问题。敏感试验结果表明，该体型方案在泄洪流量200m3/s时，水流均能正常起挑，具体流态如图4。

　　图4 上游水位58.22m，泄洪流量200m3/s，溢洪道出口流态

　　将出口体型优化方案与初始方案冲刷数据汇总如表4。两者对比结果表明：

　　(1）两种方案在坎下消能冲刷区的位置大致相同，分布范围在坎下5～110m。

　　(2）在500m3/s与1000m3/s洪水条件下，消能区冲坑底部高程31～32m，两侧边墙冲刷底部高程34～35m，上述数据可作为挑坎与边墙基础防护设计参考依据。

　　(3）在5孔全开，设计流量3236m3/s条件下，优化方案冲坑底部高程22m，较初始设计方案抬升2m，在校核流量4476m3/s条件下，优化方案冲刷底部高程17m，较初始设计方案抬升5m。优化效果明显。

　　表4 两种体型方案不同泄洪条件下的消能冲刷特征值

　　4 、结语

　　(1）校核洪水工况下，溢洪道泄流能力试验值与设计值相比偏小1%左右，设计采用泄量基本安全可靠。

　　(2）溢洪道出口挑流体型初始方案，在小流量工况下，出口反弧段出现壅水现象，水流无法正常起挑；出口挑角调整为10°，反弧半径增大到90m，同时渥奇段曲线适当抬升，在中小流量条件下，水流可顺利起挑。溢洪道出口体型优化后，在小洪水条件下，水流挑距比初始设计方案增大5～10m，在大洪水条件下，水流挑距基本与初始方案相当，分布范围在坎下5～110m。

　　(3）溢洪道出口体型优化方案，在水流起挑与下游冲刷两个方面，均优于初始体型方案，故推荐设计采用。

　　参考文献

　　[1]杨必娴，冉海林.马鹿水库溢洪道设计与优化[J].工程建设与设计，2019(9):82-83.
　　[2]吴亮，牧振伟.溢洪道出口挑流鼻坎体型优化设计研究[J].红水河，2019(1):1-4.
　　[3]张开玉.贵州荔波平林水电站水工模型研究[J].吉林水利，2018(9):11-12.
　　[4]简鸿福，吕辉，唐波华，罗优，军民水库溢洪道堰面水动力特性试验研究[J].水利与建筑工程学报，2018(5):213-218.
　　[5] 河北省水利水电勘测设计研究院.洋河水库除险加固工程初步设计[R].2019.
　　[6] 中国水利科学研究院.洋河水库除险加固工程溢洪道水工模型试验研究[R].2019.