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摘要：溢洪道是水库枢纽工程的重要组成部分，其主要任务是宣泄洪水以保证主体水工建筑物的安全。本文以某山区水库工程为例，讨论了岸坡弯道式溢洪道的优化设计。
关键词：溢洪道布置；溢洪道设计；消力池
引言
溢洪道是水库水工建筑物的关键环节，承担着水库在洪水期间泄洪任务，设计合理直接关系到水库后期建筑结构的安全性，也关系到水库能否安全稳定运行，更关系到改造工程建设的成本控制、造价管理工作质量高低，因此做好溢洪道工程结构设计就显得十分必要。
1.工程概况
某山区水库总库容1113万m3，水库工程为Ⅲ等工程，溢洪道为3级建筑物，其消能防冲设计洪水标准为30年一遇，下泄流量为272m3/s；设计洪水标准为50年一遇，下泄流量为304.0m3/s；校核洪水标准为1000年一遇，下泄流量为448.0m3/s；溢洪道布置在大坝右岸，为河岸式有闸控制正堰泄水建筑物。
2.原体型布置
溢洪道平面布置见图1，由进水渠、控制段、泄槽、消力池组成，溢洪道轴线长333.76m，受实际地形和地质条件限制，在泄槽段（溢0+103.16～溢0+191.77）布置为平面转弯段，转弯半径150m，转弯角度33.85°，泄槽宽10m。
图1溢洪道平面布置图
泄槽底板为平底板，纵坡为1∶3.5。经理论计算，泄槽流速沿程增大，入弯前流速21m/s，消力池入池流速27.5m/s，弯道段横向水面差最大为4.7m，消力池长74.76m，消力池边墙高16.6m。由于泄槽入弯前水流速度高，弯道段溢洪道凹凸岸边墙高差较大，弯道急流产生的折冲水流使进入消力池的水流具有典型的非均匀三维特征，消力池规模亦难准确确定，鉴于此进行了水工模型试验。
3.原体型模型试验结论
为了确保模型与原型几何相似、水流运动相似，模型比尺为1∶40，经模型试验验证，原溢洪道布置体型条件下泄流能力满足设计要求，模型试验测量得出，在设计工况时，转弯起始断面的流速23.27m/s，消力池入池流速31.0m/s，由此产生的弯道急流造成溢洪道泄槽形成折冲水流等较差流态。
由于受到重力和弯道离心力的影响，转弯段断面流速及水深分布极不均匀，水流产生凹岸高凸岸低的横向水面，水深见表1；主流偏向溢洪道右岸，左岸产生较大面积无水区，见图2a；平面转弯段后发生折冲水流，断面流速及水深分布极不均匀，对溢洪道泄洪消能极为不利，消力池入池流速过大，入池水流与下游河道发生远驱式水跃衔接，见图2b；跃前断面位于消力池中部，需加长消力池25.3m，加高边墙1.3m，且消能效果不好，需对原设计体型进行优化。
表1横断面水深表（原体型）
（a） （b）
图2泄槽及消力池流态（设计工况Q=304m3/s）
4.优化设计
4.1优化思路
首先调整溢洪道弯道段的体型，增加沿程消能以降低入池流速，减小消力池规模，通过沿程消能使在弯道段的水流流速基本恒定，同时方便设置固定的横向坡度，减化施工难度。
4.2优化方案
根据下泄流量，消能防冲下泄时的单宽流量为27.2m3/s，设计工况时的下泄单宽流量为30.4m3/s，此种流量下采用阶梯式溢洪道可以充分利用阶梯的消能特性，并在阶梯前设置掺气挑坎，亦能很好的解决前几个阶梯掺气不充分易空蚀的问题，此后充分利用阶梯+槽底超高，使弯道段的水流接近均匀流，在弯道段设置固定的横向底坡，简化施工，更重要的是降低入池流速，降低消力池规模，在弯道前后的扭面衔接段也可用渐进的阶梯代表连接的扭面，简化施工难度，优化后溢洪道平面布置见图3。
图3优化后溢洪道平面布置图
优化体型为槽底超高+阶梯型溢洪道，具体布置方式为：泄槽共设28级阶梯，包括平面转弯段内的17级及其前后的11级衔接阶梯，平面转弯段前设5级阶梯进行衔接，编号为1～5，每级阶梯宽度均为5.25m，5号阶梯末端与原方案弯道起始处桩号保持一致，5级阶梯左侧阶梯高度为1.5m，右侧阶梯高度为1m，阶梯横向坡度ic由0.05逐级增至0.25；平面转弯段内设17级阶梯，编号为6～22，每级阶梯高度均为1.5m，阶梯横向坡度均为ic=0.30，受平面转弯影响，阶梯长度左右岸略有不同，溢中线处阶梯长度为5.25m，左岸阶梯长度减小至5.075m，右岸阶梯长度增大至5.425m；平面转弯段后设6级阶梯进行衔接，编号为23～28，每级阶梯宽度均为5.25m，6级阶梯左侧阶梯高度为1.5m，右侧阶梯高度为2m，阶梯横向坡度ic由0.25逐级降至0.00；28号阶梯后按原方案用1∶3.5的斜坡接至消力池。为避免溢洪道前几级台阶梯因掺气不充分而可能发生空蚀破坏，在阶梯前增设掺气坎，挑坎高度为0.5m，挑角为0.1，掺气井横向剖面尺寸为1m×1m。
4.3优化后模型试验成果
模型试验测量得出在设计工况时，转弯起始断面的水流速度17.71m/s（5#阶梯末端），消力池入池流速17.86m/s，设立局部超高阶梯后，沿程断面流速基本不变；水流从闸室流出后，经掺气坎进入衔接阶梯，阶梯溢洪道段水流掺气充分，颜色呈乳白状，阶梯段横断面水流流速、水深分布较均匀，见表2；局部抬高阶梯的设置一定程度上抵消了因平面转弯所产生离心力的影响，转弯段后衔接阶梯水流平稳，未发生折冲水流，见图4a；消力池内发生稳定水跃，跃首位置随着流量的增加向上游移动，在设计工况下，消力池内水跃跃前断面位于26号阶梯处，即27、28号阶梯处于水跃紊动区内，跃首段紊动剧烈，消力池消能效果良好，见图4b，不需加长消力池，消力池边墙高度降低为14m。
表2优化前后横断面水深对比表
图4泄槽及消力池流态（设计工况Q=304m3/s）
5.结论
综上所述，选择前置掺气+槽底超高+阶梯作为溢洪道布置方案，由于具有流态控制好、消力池规模小、施工方便、施工难度较简单、施工质量好、节约投资等优点，所以值得推广与应用。
参考文献：
[1]青山水库溢洪道水工模型试验研究[J].徐建平，王月华，史斌，等.浙江水利科技.2015
[2]溢洪道多级消能优化研究[J].李松泉城市建设理论研究（电子版）2015.
论文作者:曹卓辉
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第24期
论文发表时间:2018/4/8
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