某水库溢洪道消力池体型优化模型试验研究

李明忠 LI Ming-zhong；林妮 LIN Ni

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430071）

1 工程概况

某水库是一座以城镇供水为主，兼顾灌溉补偿、改善下游生态等综合效益的中型水利工程。工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3 级，水库总库容1050 万m3。

溢洪道布置在大坝右岸，为有闸控制开敞式溢洪道，由进水渠、控制段、泄槽段及消能防冲段组成。溢洪道全长342.77m。控制段采用驼峰堰，堰顶高程726.20m，布置2个表孔，设2 扇弧形工作闸门，闸门尺寸为6.0m×7.3m（宽×高），工作闸门前设检修闸门槽，两孔公用一扇闸门。控制段顺河向长度为24.0m，靠坝体一侧边墩采用重力式挡墙型式，顶宽5.0m，靠岸坡一侧边墩采用衡重式挡墙型式，顶宽1.5m，中墩采用直立式挡墙型式，顶宽2.0m。泄槽段轴线全长123.80m，收缩段长30.0m，控制段出口由14m渐变为10m。泄槽在溢0+024.00 至溢0+093.86 段底坡为i=0.05，后接抛物线y=0.02x2+0.05x，抛物线后泄槽底坡为i=0.833。泄槽末端接消力池，消力池首端宽10m，末端宽14m。池长55m，池底底板高程689.00m，消力池左侧边墙为C25 砼重力式挡墙，右侧边墙为砼衡重式挡墙，墙顶高程700.70m，消力池下游设尾坎，坎顶高程493.5m，消力池后接浆砌石海漫，厚0.5m，与下游河道顺接。

2 模型实验

2.1 实验内容

本次模型试验主要研究：观测泄槽、消力池内及下游河道的水流流态、水力学特性，测试渐扩式消力池消能效率；宣泄大坝校核洪水时，若出现洪水漫出消力池，测试洪水对坝脚的影响；研究消力池最优池长和扩散角，提出推荐的消力池尺寸或辅助消能措施，根据模型试验情况，对设计方案提出优化建议。

2.2 实验设计

根据试验任务和要求，本模型试验主要涉及溢洪道下泄水流的流态、流速、水深、压强等水力学指标。为了保证水流、泥沙的运动相似，最好选择正态模型。水流运动相似按重力相似准则考虑[1]，按佛汝德数相似[2]计算，各比尺换算关系如下所示：

考虑试验场地和用水量要求，试验模型按重力相似准则设计为比尺λl=λh=50 的正态模型[3]，相关水力学参数的相似比尺如表1 所示。

表1 模型试验各项相似比尺

试验模型模拟了上游库区、溢洪道、消力池及下游河道等范围，上游和下游河道模型制作采用断面控制，每隔50m 设一个控制断面，地形变化较大区域局部加密至25m一个控制断面。库区模拟长度为400m，其中模型进口模拟至溢洪道进口上游200m（14 倍进口宽度），模拟高程至740.0m。下游模拟了消力池出口下游250m 长度的河道，模拟至705.0m 高程。溢洪道、消力池均采用有机玻璃制作[4]。模型上游入口流量采用矩形薄壁堰控制。模型试验场地布置图见图1。

图1 模型试验场地布置图

3 设计方案实验成果

3.1 实验工况

设计方案模型试验中，重点观测了消能防冲频率洪水和校核频率洪水（调洪后）下，溢洪道敞泄运行工况，观测的水力学指标包括各部位水流流态、沿程水面线、流速、压强等各项指标，观测工况如表2。

表2 设计方案试验工况

3.2 水流流态

模型试验观测了不同工况下溢洪道沿程各部位水流流态，观测成果表明：①不同工况下，泄槽水流在消力池部位以底流形式衔接。消能防冲频率洪水和校核频率洪水（调洪后）下，入池单宽流量分别为33.3m3/（m·s）和51.6m3/（m·s），入池流速和单宽流量相对较大，入池水流直冲消力池尾坎，水跃跃首位于消力池中后部，在消力池后部形成较大的水面旋滚和紊动。消力池中部水面波动幅度较大，消能防冲频率洪水和校核频率洪水（调洪后）下，最大水面波动均会高于消力池边墙高度。②入池水流对冲消力池尾坎后，水流在尾坎处上涌，继而呈跌流流态与下游河道水流衔接。消力池流态见图2。

图2 校核工况下消力池流态图（初设方案）

3.3 沿程水面线

模型试验观测了不同工况下溢洪道沿程水面线和水深，观测成果表明：消力池范围内的平均水位沿程逐渐升高，工况1（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎处的水位为700.50m，消力池范围内的最大平均水深为10.13m，尾坎处平均水深为7.00m。工况2（0.1%，506.0m3/s）下，消力池尾坎处的水位为705.50m，消力池范围内的最大平均水深为11.50m，尾坎处平均水深为12.00m。溢洪道沿程水面线观测成果表明，消力池中后部边墙超高不足。消能防冲工况下，消力池水面线成果见表3。

表3 消力池水面线成果表

3.4 沿程流速

消力池临底流速较大，入池水流会直接对冲消力池尾坎，在消力池内未形成完全水跃。对冲水流受消力池尾坎阻挡而局部壅高，因而消力池尾坎部位的水流流速在顺水流方向较小。

4 溢洪道体型优化

消力池采用底流型消力池布置方案，消力池底板高程687.0m，与泄槽以半径为10.0m 圆弧衔接；消力池采用渐扩式布置方案，消力池长55.0m，入口宽度10.0m，出口宽度14.0m，出口尾坎高程693.5m；消力池边墙高程为698.7m；消力池下游设混凝土护坦，护坦顶高程689.0m，长25.0m。消力池优化后断面图如图3 所示。

图3 消力池优化后纵断面图

图4 消能防冲工况下消力池流态图（调整后）

5 推荐方案试验成果

5.1 水流流态

水流在消力池内形成完全水跃。水跃跃首在反弧段和消力池入口范围内波动，随入池单宽流量增大，跃首会略向下游推移。消力池内水面紊动剧烈，随入池单宽流量增加，水体紊动强度增加。消力池出口部位，水流均呈跌流流态与下游河道水流衔接，且随下泄流量增加，跌流高度增加。水流跌落点位于混凝土护坦范围内，主流位于河道左岸。流态较调整前明显改善。

5.2 水面线

当流量大于等于20%频率洪水180.0m3/s 后，消力池内最大波动水位均高于消力池边墙顶高程。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、设计洪水（2%，376.0m3/s）和消能防冲洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池内平均水位最高值分别为703.00m、700.88m、699.25m，消力池内波动水位最高值分别为705.00m、702.25m、701.00m，均高于消力池边墙顶高程698.70m。优化后水面线成果见表4。

表4 消能防冲工况下水面线成果表

5.3 沿程流速

校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、设计洪水（2%，376.0m3/s）和消能防冲洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎断面平均流速分别为9.35m/s、6.41m/s、6.88m/s，最大流速分别为10.41m/s、8.40m/s、7.62m/s。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、设计洪水（2%，376.0m3/s）和消能防冲洪水（3.3%，333.0m3/s）下，尾坎水流跌落点范围内的最大流速分别为14.67m/s、8.26m/s、8.78m/s；护坦末端断面流速平均值分别为6.21m/s、4.60m/s、5.79m/s，最大值分别为7.01m/s、7.34m/s、5.98m/s。校核洪水（0.1%，506.0m3/s）、设计洪水（2%，376.0m3/s）和消能防冲洪水（3.3%，333.0m3/s）下，消力池尾坎下游100.0m 范围内，河道左岸沿程最大岸边流速分别为5.88m/s、5.14m/s、4.47m/s，下游河道沿程右岸岸边最大流速分别为5.18m/s、4.65m/s、3.82m/s。

6 结论

初步设计阶段，水库溢洪道消力池采用渐扩形式，依据溢洪道设计规范（SL 253-2018）4.5.5 款第4 条[5]，其体型、布置和水力计算需经水工模型试验验证。通过模型实验，对溢洪道消力池体型进行了调整，提出了合理化建议，为消力池安全运行提供了保证。