大型水利库坝多孔溢洪道优化设计研究

李文峰

（无棣县王山水库管理所，山东 无棣251900）

0 引言

大型水利库坝是我国水利工程建设的重要枢纽工程，对区域经济发展与财产安全保护起到及其重要的作用。溢洪道作为水利库坝防洪、泄洪的重要手段，不仅能够有效调节水库水位，起到对区域水资源调度作用，也能够对水资源尤其是发电方面起到十分重要的作用[1～3]。

目前，我国关于单溢洪道小型水利库坝的研究已较为成熟[4～6]，但针对含多孔溢洪道的大型库坝设计及优化工作的研究仍然较少。宁景昊[7]在依托某水电站溢洪道工程实例基础上，通过室内数值模拟软件对对溢洪道主要水力特性进行分析计算，并基于室内试验及数值计算分析结果，提出一系列科学、合理的经验公式，取得了良好的拟合效果；王钊[8]基于数值模拟计算与物理模型试验相结合的研究方法分析了多孔抖槽消能率在5 种复杂影响因素影响下发生的变化趋势，并探讨了多因素的作用效应；杨丽萍等[9]通过基于室内多孔消能板的陡槽溢洪道的水流流速试验，展开了角度及粗糙度等多因素对下游水槽消能特性研究,并基于试验结果分析各个因素对设置多孔溢洪道消能率的实际影响程度，提出多孔消能板处理方案的消能率能够达到80%以上，其对水流的消能效果最佳；此外，部分学者通过采用新方法对多孔溢洪道的水力特性进行了研究，沙海飞等[10]利用VOF 方法处理自由水面,指出受闸墩、边墩等的影响,溢洪道不同孔的过坝水流的水面线、坝面压力存在一定的差异性,研究结果为溢洪道的水力设计提供可靠的设计依据。

上述研究多限制于数值模拟计算方法，故本文在实际工程调查基础上建立室内物理模型试验，并通过分析计算进一步验证室内试验模型的可靠性。基于计算结果探讨原设计的可靠性及缺点，并提出多种优化方案进行比选得出最佳优化设计方案。

1 工程现状

某大型水利库坝为工程水电站库坝，坝体采用碾压式混凝土重力坝，具有泄洪、蓄水、能源等多重作用。库坝最大高度达120.25 m，日常蓄水高度在80.10 m 左右。泄水建筑物采用坝身多孔（3 孔）溢洪道结构进行洪水防治。受气候条件影响，地区每年七月为防洪汛期，汛期水位高度可能会超过水库坝高，发生坝顶溢流灾害；此外，在水库河道下游防冲区存在较严重的冲蚀情况，对下游坡体安全造成极不利的影响。经过现场调查，得出该水利库坝及坝身多孔溢洪道等建筑结构参数见表1。

表1 水利库坝及坝身多孔溢洪道等建筑结构参数

2 试验方案与原设计分析

2.1 试验设计

该溢流坝坝顶高程为562 m，检修门尺寸为15 m×18 m，泄槽坡度为1∶0.75，泄槽宽度为52 m。通过现场参数调查及室内方案设计讨论，综合考虑河道水力特性、河床河岸、水面流态等问题，得出室内多孔溢流库坝物理模型采用比例尺为1∶80，能够满足消能防冲及侵蚀问题模拟工作。基于三峡大学水利实验室建立该溢流坝水工模型，模型具体设计参数比例尺见表2。

通过上述模型对不同工况下河流库水位变化进行模拟，得出模型计算结果见图1。由图1 可知，三孔全开下工况下，库水位随流量变化模型试验模拟计算结果曲线与试验结果散点值之间能够相互对应，由此可见，模拟结果具有高度的可靠性。进一步的，观察不同工况下库水位随流量变化，图中e 表示闸门开口宽度，由此可知，随着闸门的逐渐开放，多孔溢洪道泄流效果越来越好：闸门开口e=2 m 条件下，当水库流量超过1420 m3/s 后即会出现水库水位超过坝顶高程的情况，随着闸门开口度的增大，e=4 m、6 m、8 m、10 m 及12 m 条件下超过库坝水位时对应流量分别为2315 m3/s、3426 m3/s、4512 m3/s、5426 m3/s及6789 m3/s。结果表明，在不同时期通过控制闸门开口度进行水库水位控制，对水库防洪、产能等功能能够起到很好的调度作用。

表2 库坝物理模型物理量比例尺

为有效评定不同时期水库流量对库坝的影响，进一步计算得出不同库流量下水位综合流量系数，计算方法如下式：

式中：Q 为库流量，m3/s；e 为闸门开口宽度，m；H 为堰顶水头，m；g 为重力加速度，取g=9.8m/s2进行计算。

基于上述模型数据，得出综合流量系数计算结果见图1。由图1 可知，日常水位条件下水库的综合流量系数在0.439～0.483 之间，且随着库水位及流量增大呈现出逐渐升高的趋势。

图1 溢洪道水位- 流量曲线及综合流量系数曲线

2.2 原设计分析

图2 为室内试验所得及原设计条件下库流量随库水位变化趋势，由图2 可见，在正常蓄水位下，坝体能够满足工程实际要求，且二者之间相差不大；当水库水位随季节变化逐渐提高时，原设计在考虑到多重因素下，充分提高了坝体的防洪设计要求水准，使得高水位下设计水流量远大于实际流量，因此可见，原库坝多孔溢洪道设计能够满足水库防洪实际的要求。

此外，进一步对上、下游水面流态进行分析，研究发现，溢洪道上游库区水位能够保持平稳状态，并且水体流速很小，基本可视作静态流区；水体经过库坝后流速大幅度提高，且库坝下游水面开阔，因此出现较高的水冠（8.0 m），河面流态较差，因此，需要通过对闸墩尾进行优化，合理调整水面流态。

图2 设计泄洪流量与试验实际流量

3 优化设计方案比选

根据原方案物理模型试验结果可知，原设计能够满足库区任何时间泄洪设计，但对于下游水面流态控制性较差，产生较高水冠因此需要对挑流鼻坎进行优化。经过深入讨论，提出以下三个方案进行优化设计，并基于室内实验结果对三种优化方案进行比选。

（1）方案一：在墩尾下游修建一半圆形尖头闸墩，且控制弧度半径为7 m，通过弧度对挑水高度进行有效调节。

（2）方案二：受墩头流线型影响，其末端相交点据墩头末端越远，则河面流态越差，因此可将试验墩头直接设计为半圆形。

（3）方案三：落水点的位置随水库水位不同而变化，特别是相邻开孔宽度不同时，水冠偏向于向开口小的一侧并容易砸到边墙。因此，设计将中隔墩长度优化设计向下延伸5 m。

图3 为不同优化方案下水流速随离库坝距离变化对比，由图3 可知，不同方案下水流速随离库坝距离均呈现处相同的变化规律，即流速先快速上升后趋于平稳状态。这是由于在距离河坝近的时候水体的水力梯度差较大，重力作用下水的位置发生快速下降，势能迅速转化为动能，水的流速快速增加，而随着水流相对位置的逐渐增加，水力梯度降低，且摩擦消耗了较大的势能，因此出现离库坝远处水流速度趋于稳定的状态。

图3 不同优化方案下水流速随离库坝距离变化规律

不同优化设计方案下下游最大水冠高度见图4，可知在方案一条件下最大水冠高度为7.05 m，较原设计优化效果达11.88%；方案二条件下最大水冠高度为5.98 m，相较于原设计最大水冠高度下降25.25%；方案三条件下最大水冠高度为5.76 m，优化效果达到28.00%，由此可见，在本次提出的三种优化设计方案中，方案三对河道下游水面流态优化效果最佳，对原设计的优化程度达到28.00%。

图4 不同优化设计方案下水冠最大高度对比

4 结论

本文以某大型水电库坝设计为例，基于室内库坝及多孔溢洪道物理实验模型多不同工况下水库运行状况进行模拟，以保证物理模型的科学性、可靠性。进一步利用模型分析原设计现状，得出原设计虽然能够满足库坝防洪要求，但其在下游水面流态呈现出较差的情况，并根据问题提出三种不同优化方案。实验结果显示，三种方案对水冠高度优化程度分别达到11.88%、2.25%及28.00%，因此采用第三种优化方案最佳，能够有效治理库坝元多孔溢洪道设计的不足之处。该工程优化设计也为我国其他地区水利工程大型水利库坝多孔溢洪道设计与建设提供了良好的范例。