寒山水库岸边式溢洪道进水渠导墙体型优化试验研究

周苏芬，邬年华，黄志文，王志超

(江西省水利科学研究院，南昌 330029)

0 引 言

溢洪道是水利枢纽的重要组成部分，用于宣泄水库无法容纳的多余洪水，对挡水建筑物及有关建筑物安全具有至关重要作用。进水渠位于溢洪道首部，主要功能是引导水流平顺进入泄槽内，起着调整水流作用。因此，在设计溢洪道进水渠时，应尽力保证进水渠内水流态平顺、流畅，不影响溢洪道泄洪能力。目前针对岸边式进水渠导墙优化研究也较多。王继保[1,2]利用数学和物理模型研究了不同体型进水渠导墙对岸边式溢洪道进水渠流态及溢洪道泄流能力影响。王玄等[3]比较了4种进水渠导墙优化方案对龙背湾溢洪道进水渠内流态改善效果，确定了上下不同曲线方程的椭圆弧面方案。许学问等[4]结合进口地形条件通过模型试验对老渡口水电站岸边式溢洪道常规椭圆弧翼墙进行优化设计，试验结果表明扭曲型贴坡导墙能很好消除因洪水淘刷带来的不利影响。颜雪丽[5]、包明金[6]等通过模型试验都发现采用两圆弧+直线段结构能够较好地解决泄流流态问题。郭观明[7]利用物理和数学模型研究了直线型和直线圆弧组合型导墙对溢洪道工程运行影响，试验结果表明直线圆弧组合型导墙可有效改善进水渠水流流态，为闸孔稳定泄流提供保障。本文在前人研究基础上通过实际工程溢洪道模型，研究直线型、圆弧形、椭圆弧形导墙对进水渠内流态及闸室泄流能力的影响，并通过改变导墙长短，分析导墙长度对试验结果的影响。

1 岸边式溢洪道模型

寒山水利枢纽坐落于赣江二级支流、禾水一级支流凫水河上，控制流域面积58.7 km2，水库总库容1 401 万m3，正常蓄水位340.00 m，校核洪水位342.21 m，是一座以供水、灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合效益的中型水库。溢洪道布置于右岸坝端，为开挖式岸边溢洪道，由进水渠、控制段、泄槽段、挑流段组成。寒山水利枢纽溢洪道模型按照重力相似准则设计，模型长度比尺为1∶50，原方案中进水渠右岸导墙根据地形条件采用弧形+直线段型式，左岸未设置导墙，仅通过坡度为1∶1.405斜坡与坝肩连接，溢洪道进水渠布置见图1。

图1 溢洪道进水渠布置Fig.1 Layout of inlet channel

图2 原方案闸室水流流态Fig.2 Flow state in chamber of original design

2 岸边式溢洪道进水渠水流特点

进水渠渠底一般是平底或者缓坡，流速较小，水流属于明渠非均匀缓流。岸边式溢洪道通常布置在坝肩一侧，其轴线与坝轴线平行或成较小角度。泄流过程中，远离进水口的地方流速较小，流线基本与进水口中心线平行，随着过水断面收缩，流线逐渐弯曲，使得横断面形成水面差。而当进水渠靠近坝肩一侧未设置导墙时，坝坡一侧水流流入进水渠，形成侧向水流，对正向水流产生顶托，出现水流剧烈旋滚现象，使得闸室各孔过流不均匀，影响闸室的过流能力。图2为寒山水库溢洪道进水渠左岸未设置导墙时水流流态，从图中可以看出闸室右孔水流平顺，而左孔出现翻滚现象，左孔过流能力明显低于右孔过流能力，影响整个溢洪道的泄洪能力。此外，闸室左孔内水流剧烈翻滚，可能会引起闸室振动，对整个闸室的安全存在不利影响。

3 进水渠水流流态优化

在原设计方案中宣泄大流量时闸室左孔进口水流翻滚剧烈，其泄流能力受到极大影响。主要原因是进水渠临坝侧未设置导墙，使得进水渠产生侧向水流。为改善闸室进口水流流态，需在进水渠临坝侧设置导墙，常见的进口导墙型式有直线型、曲线型、椭圆曲线型等。

3.1 进水渠导墙优化布置方案

根据地形及水流条件，试验共采用和比较了五种方案，如表1所示，平面布置见图3，其中方案四采用长短轴黄金分割比椭圆曲线导墙方案，短轴长8.0 m，长轴长12.944 m，短长轴之比b/a=0.618，长轴方向X与闸室边墙平行，再沿椭圆段上的一切线方向(和短轴方向y的夹角为15.0°)外伸3.0 m，各方案中导墙头部为直径2.0 m的半圆弧。

表1 优化方案Tab.1 Optimization designs

图3 右岸导墙优化布置图Fig.3 Optimized layout of guide wall in right bank

3.2 优化方案流态分析

图4为优化方案进水渠水流流态，从图4中可以看出5种优化方案中闸室左孔水流流态都有明显改善，但不同方案改善效果不同。方案一左侧导墙内侧形成一个范围较大、凹度较深的水面跌落，闸室左孔进口区域出现旋流，回流区末端距离闸门控制段较近；方案二中水流沿着左侧导墙平顺进入闸室，仅在导墙边壁附近形成细小波纹；方案三中沿着圆弧导墙边缘出现小范围漩涡，漩涡在闸室入口消失；方案四中进水渠水流非常平顺，仅在导墙端头处出现微小波动，并且影响范围很小；方案五中左岸导墙附近出现水面跌落，闸室进口水面存在较大横比降；对比方案一和方案二，导墙越长对流态的改善越明显；而方案二、方案三和方案五导墙长度相差不大，方案二对流态改善相对较明显，说明导墙在一定长度内，直线型导墙对岸边式进水渠流态改善效果较好；黄金分割比椭圆弧+直线型(方案四)对流态的改善最为明显。

图4 优化方案进水渠流态Fig.4 Flow state in inlet channel of optimization designs

3.3 优化方案泄流能力分析

进水渠水流流态除了对建筑物安全有影响外，对溢洪道泄流能力也有重大影响。表2为不同方案水库水位在校核和正常蓄水位下溢洪道下泄流量，从表中可以看出，进水渠左岸增设导墙后，溢洪道下泄流量不同程度增加；库水位相同时，相较于原方案，方案五下泄流量增加最大；直线导墙方案中，随着导墙长度增加溢洪道下泄流量虽有增加，但仅增加了0.79、1.70 m3/s；导墙长度相差不大时，直线导墙(方案二)比弧形导墙(方案三)和椭圆形导墙(方案五)下泄流量大；黄金分割比椭圆形+直线导墙方案中，相较原方案下泄流量增加了60.32、37.92 m3/s。上述结果与进水渠流态优化结果吻合，说明进水渠流态对溢洪道的泄流能力有重要影响。表3为宣泄校核、设计、消能相应洪水时，不同方案试验库水位表。相较于原方案，优化方案库水位都有所下降，方案四降低的最大，在宣泄校核、设计、消能泄量时，上游库水位相较于原方案分别下降了0.44、0.27、0.26 m。

表2 不同方案溢洪道下泄流量Tab.2 Discharge of spillway in different designs

表3 不同方案试验库水位H试Tab.3 Water lever of reservoir in different designs

4 结 语

本文基于寒山水库溢洪道模型，研究了进水渠导墙体型对岸边式溢洪道泄流能力影响。试验结果表明：

(1)岸边式溢洪道进水渠临坝侧未设置导墙，进水渠水流流态较差，在左孔闸室内出现剧烈翻滚，对 溢洪道泄流能力产生不利影响。

(2)进水渠增设导墙后能有效改善水流流态，提高溢洪道泄流能力；导墙长度对流态调整有影响，直线型导墙长度较长的对流态的优化较长度短的明显，但对泄流能力提高不明显。

(3)不同型式的导墙对流态及泄流能力影响不同，其中增设长短轴黄金分割比椭圆曲线+直线导墙，对进水渠流态及闸室泄流能力影响最为明显，进水渠水流非常平顺，对溢洪道的下泄流量有较大提高。黄金分割比椭圆曲线+直线导墙能很好地改善岸边式溢洪道进水渠流态，提高溢洪道泄流能力。

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