新疆石门水库工程溢洪道单体水工模型试验分析

张胜东

（新疆兵团勘测设计院

（集团）有限责任公司 新疆 乌鲁木齐 830002）

1 工程概况

石门水库工程位于新疆莫勒切河出山口，主要任务是灌溉、发电、城镇生活工业供水和生态保护。该工程主要由大坝、排沙泄洪导流洞、溢洪道、灌溉引水发电洞，坝后电站等系统组成。

溢洪道由侧堰段、控制段、泄槽段（包括缓坡段和陡坡泄槽）、消能段、尾水渠段五部分组成，全长742.55 m。

建筑物级别为：大坝为2级，导流泄洪排沙洞、溢洪道、灌溉发电引水洞的建筑物级别为3级。

大坝设计洪水标准为100年一遇，设计洪峰流量926m3/s；校核洪水标准为2000年一遇，校核洪峰流量1584m3/s。工程地震基本烈度为Ⅷ度。

2 试验目的和模型设计

2.1 试验目的

（1）通过水工模型试验，验证溢洪道布置方案的合理性。

（2）验证溢洪道的泄流能力、水面线、流速等计算成果，为设计提供依据。

（3）验证溢洪道消能形式的可行性，并对其消能工体型进行优化。

（4）观察并描述溢洪道进口、泄槽及消力池等部位的水流流态，对不良流态提出改善措施。

（5）观测溢洪道各部位的压强分布，分析其设置掺气减蚀设施的必要性，并提出合理的掺气减蚀设施。

（6）提出下游河床的消能防冲措施。

（7）提出推荐方案的试验成果。

2.2 试验要求

（1）模型比尺1∶70。

（2）试验范围：模型上游保证来流的相似性，下游至少到下游河床冲刷稳定断面。

（3）试验在不同库水位下进行。

2.3 模型设计与制作

溢洪道单体水工模型按石门水库工程整体模型设计，根据溢洪道和泄洪排沙洞的模型试验要求，模型设计需要满足几何相似、水流运动相似和动力相似，因此，模型制作遵循佛劳德相似准则并结合实验室场地等条件进行。模型几何比尺L r=70。

模型库区和下游河道地形按天然河道模拟，建筑物进口引渠及出口退水渠或人工开挖部分按设计进行模拟；溢洪道控制段、泄槽段、消力池段及护坦段均用有机玻璃制作。所有试验数据均来自同一台模型试验数据成果。

3 设计方案试验

3.1 设计方案泄流能力

设计方案下特征水位的泄量与试验实测泄量比较见表1。

由表1可见，设计方案溢洪道校核洪水位时的实测泄量较设计值大45.78m3/s，占设计值的9.80%；设计洪水位时的实测泄量较设计值大6.62m3/s，占设计值的8.49%，泄流能力满足设计要求。

侧槽溢洪道进口段采用实用堰堰型，上游堰高3.0 m，斜向堰宽40.0 m。溢洪道特征水位溢流堰流量系数可用下面公式计算：

式中，m——含侧收缩影响的流量系数；

Q——模型实测流量，m3/s；

B——溢流堰宽，m；

H0——堰上水头，m。

经计算，校核洪水位和设计洪水位的流量系数分别为0.454和0.338。

3.2 设计方案溢洪道流态

设计方案为侧槽溢洪道，其侧槽段流态为典型的沿程增量并伴有螺旋流的水流流态；缓坡段水流经调整段改善后，流态较理想。设计洪水位时，消力池水跃完整，流态良好，但校核洪水位时，消力池长度略显不足，尾坎处流态稍差。

3.3 设计方案溢洪道水深

试验实测得设计洪水位时，溢洪道各部位体型设计均满足要求，而校核洪水位时由于泄量增大，弯道末以上缓坡段边墙高度有不同程度的偏低，其中0+048.0 m断面右边墙偏低2.09 m，弯道中断面右边墙低0.41 m。另外，校核洪水位时，消力池0+556.75 m断面附近边墙偏低0.7 m，尾坎附近护坦边墙也有所偏低。

3.4 溢洪道压强分布

溢洪道各部位共布置压强测点51个，其中溢流堰18个，侧槽底板3个，调整段至护坦中线30个。由观测数据得出，校核洪水位和设计洪水位时溢流堰不同部位有不同程度的负压存在，但量值都不大，最大负压为设计洪水位溢流堰上游段堰面中部位，量值为-0.97×9.81kPa，其余部位压强均为正值。

3.5 溢洪道下游冲淤地形

溢洪道单体试验下游河道冲淤地形，因其水力条件与实际运用时有差异，所以只能作为方案比较或确定防护范围时参考。为了弄清消力池护坦后的防护范围，试验首先在无任何防护措施情况下进行。

从冲坑底高程来看，校核洪水位（坑底高程为2299.5 m）比设计洪水位（坑底高程为2307.4 m）深7.9 m；校核洪水位时，下游冲坑顶沿高程为2310 m，距护坦末最大距离为42.0 m，设计水位时冲坑下沿距护坦末约30.1 m。

3.6 溢洪道水流空化分析

为进一步分析和评判溢洪道设置掺气减蚀设施的必要性，试验对校核洪水位工况下溢洪道陡坡段的水流空化数进行了计算，成果见表2。

表2表明，校核洪水位时陡坡段最大断面平均流速在25m/s附近，水流空化数在0.27以上，因此，按照溢洪道设计规范[5]和以往工程经验本溢洪道可不设置掺气设施，但应注意对陡坡段施工不平整度的控制。

表1 侧堰溢洪道设计泄量与试验实测泄量比较

表2 校核水位溢洪道陡坡段平均水深、平均流速与水流空化数

4 溢洪道试验结论

模型试验对侧槽溢洪道的泄流能力进行了率定，对校核洪水位、设计洪水位时溢洪道各部位的水力参数进行了观测。

试验结果表明，各特征水位实测泄量较设计泄量均有富裕，约占相应设计泄量的9.80%～8.49%，泄流能力满足设计要求。从校核洪水位、设计洪水位所观测的水力学参数来看，设计洪水位时溢洪道沿程水深远低于边墙高度，溢洪道各部位体型设计均满足要求。但校核洪水位时，由于泄量大增，侧槽末、弯道中、消力池0+556.75 m断面附近至护坦起始断面附近边墙均有不同程度的偏低，建议设计时适当加高。计算结果表明，设计方案校核洪水位消力池消能率为72.77%。

侧槽溢洪道校核洪水位和设计洪水位时溢流堰不同部位有不同程度的负压存在，但量值都不大，最大负压为设计水位溢流堰上游端堰面中部位，量值为-0.97×9.81kPa，其余部位压强均为正值。下游河道无防护措施冲淤结果表明，护坦后河床冲淤范围不大，建议加强局部防护。

设计方案溢洪道水流空化分析表明，校核洪水位时溢洪道最大断面平均流速为25.14m/s，水流空化数在0.27～1.11之间，按照溢洪道设计规范和以往工程经验，溢洪道可不考虑掺气设施，建议对溢洪道陡坡段施工不平整度进行控制。

5 消力池优化试验

考虑到溢洪道消力池在校核水洪位时水跃不够完整，尾坎处水流不平稳，试验对在消力池设置消力墩的必要性和其消能效果进行了进一步的研究。

试验比较了3个方案即双排4.0m墩方案、单排4.0 m墩方案和一排2.0m墩与一排4.0 m墩组合方案(简称2m墩与4m墩组合方案）。

从水跃的完整性、水跃的稳定性及跃后水面的平稳性来看，2 m墩与4m墩组合方案较为理想，可以作为推荐方案。

6 最终方案试验

6.1 校核工况试验

最终方案消力池流态改善后消力池最大平均水深低于原设计边墙高度，第一排消力墩前池底流速为17.88m/s，护坦末端中线底流速为7.98m/s。

试验仍以水跃跃首断面和尾坎断面为基准断面，算得最终方案校核洪水位消力池消能率为86.35%，因此，消力池设置消力墩后，消能率有明显提高。

6.2 设计工况试验

由于设计洪水位流量较小，水跃位于陡坡末端上游附近，消力池水面平稳，跃首处中线底流速为16.52m/s；护坦末中线底流速为3.52m/s。设计洪水位时，溢洪道下游河道为全断面冲淤变化，无明显冲坑形成。

7 试验结论与建议

试验对设计方案进行了验证，对设计方案消力池体型进行了修改和优化，对最终方案校核洪水位及设计洪水位的水力参数进行了观测，试验结论分析如下：

（1）溢洪道设计方案（侧槽溢洪道）试验表明，各特征水位模型实测泄量较设计泄量均有富裕，约占相应设计泄量的9.80%～8.49%，泄流能力满足设计要求。

（2）从校核洪水位、设计洪水位所观测的水力学参数来看，设计洪水位时侧槽溢洪道沿程水深远低于边墙高度，溢洪道各部位体型设计均满足要求，但校核洪水位时，由于泄量大增，侧槽末、弯道中断面附近边墙均有不同程度的偏低，建议设计时适当加高。

（3）从侧槽溢洪道断面平均流速来看，无论校核洪水位还是设计洪水位，沿程流速分布规律基本一致。

（4）溢洪道水流空化分析表明，溢洪道可不考虑掺气设施，建议对溢洪道陡坡段施工不平整度进行控制。

（5）最终方案试验表明，消力池设置消力墩对改善消力池流态，提高消能率效果明显，消力池及护坦压强分布正常。

（6）最终方案在护坦后一定范围实施钢筋笼防护后，设计洪水位时下游河道已无明显冲淤；由校核洪水位河道冲淤情况来看，最终方案护坦后防护范围偏小，为安全起见，建议按设计的防护范围进行防护。

[1]水利部东北勘测设计研究院编，水工隧洞设计规范（SL279-2002）[S]，中国水利电力出版社，2002,12.

[2]武汉水利电力学院水力教研室编，水力计算手册[M]，水利出版社，2006,6.

[3]溢洪道设计规范(SL253-2000)[S]，中国水利水电出版社，2000,8.