包中進(jìn)，屠興剛，王月華，呂志升，姜宇強(qiáng)

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.縉云縣水利局，浙江 縉云 321400)

1 工程概況

潛明水庫(kù)位于浙江省縉云縣和磐安縣境內(nèi)，壩址位于甌江流域好溪縉云縣境內(nèi)的左庫(kù)水庫(kù)附近，壩址以上集水面積304.8km2，水庫(kù)壩址距壺鎮(zhèn)約6.5km，縉云縣城約25.0km，距麗水市區(qū)約63.0km。潛明水庫(kù)是好溪水利樞紐的組成部分，工程任務(wù)是以防洪、供水 (灌溉)為主，結(jié)合發(fā)電兼顧水環(huán)境等綜合利用。工程建成后，結(jié)合堤防等其他工程建設(shè)，使下游壺鎮(zhèn)平原的防洪標(biāo)準(zhǔn)從現(xiàn)狀5a一遇提高到20a一遇，縉云縣城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到50a一遇。

潛明水庫(kù)一期工程主要樞紐建筑物有:攔河壩、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、發(fā)電廠和升壓站等工程組成?？値?kù)容3413萬m3。

攔河壩位于左庫(kù)水庫(kù)庫(kù)區(qū)，左庫(kù)水庫(kù)大壩上游400.00m處，壩型為常態(tài)混凝土重力壩。壩頂高程247.00m，最大壩高42.50m，壩頂長(zhǎng)317.00m，壩頂寬5.00m。

泄洪建筑物為位于大壩中部，泄洪閘共設(shè)5孔，每孔凈寬8.00m，以弧形閘門控制。溢流堰采用WES型實(shí)用堰，堰頂高程233.00m，下游堰面采用冪曲線。原設(shè)計(jì)方案泄洪閘采用底流消能，消力池高程210.50m，長(zhǎng)60.00m，池深3.50m。消力池及護(hù)坦左右側(cè)導(dǎo)墻高程217.00m。原設(shè)計(jì)方案的工程平面及剖面布置見圖1和圖2。

2 模型設(shè)計(jì)

采用整體水工模型進(jìn)行研究。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及場(chǎng)地要求等，整體模型幾何比尺Lr=60。上游庫(kù)區(qū)河道模擬至大壩以上300m，下游模擬到左庫(kù)堰壩以下1000m，并在相應(yīng)位置布置水位測(cè)針。溢流堰和閘墩均采用有機(jī)玻璃制作，溢流堰面上布置了測(cè)壓孔。模型設(shè)計(jì)、模型制作及安裝、試驗(yàn)測(cè)試儀器和測(cè)試方法均滿足SL 155—2012《水工常規(guī)模型試驗(yàn)規(guī)程》要求。

圖1 原設(shè)計(jì)方案平面布置圖 單位:m

圖2 原設(shè)計(jì)方案泄洪閘剖面圖 單位:m

圖3 泄洪閘上游庫(kù)水位～泄流量關(guān)系曲線圖

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果

3.1 泄流能力

試驗(yàn)測(cè)試了閘門5孔全開下的庫(kù)水位～流量關(guān)系，測(cè)試成果見圖3。

擬合公式為:Q=60.502(Z-233)1.646，相關(guān)系數(shù)R2=1.0

式中:Q為下泄流量，m3/s;Z為庫(kù)水位，m。

各特征工況泄流能力比較成果見表1。

表1 特征工況泄流能力比較表

由表1可知，在設(shè)計(jì)P=1.00%及以下洪水，泄洪閘泄流能力富余幅度很大，依據(jù)調(diào)洪原則均需閘門控制局部運(yùn)行;校核工況 (P=0.10%)富余18.30%。因此，泄洪閘泄流能力能滿足設(shè)計(jì)要求。

如果維持規(guī)模不變，則大壩壩頂高程可以降低1.00m左右。

3.2 沿程水流流態(tài)和流速分布

校核工況、設(shè)計(jì)工況泄洪時(shí)，水流流態(tài)均比較相似。校核和設(shè)計(jì)工況消力池中均能夠形成淹沒水躍，池中翻滾尚強(qiáng)烈，消能較為充分;而消能工況水流在消力池中翻滾不明顯，主流潛底，從護(hù)坦末端上沖，消能不充分。具體見圖4及圖5。

圖4 設(shè)計(jì)工況消力池水流流態(tài)圖

圖5 消能工況消力池水流流態(tài)圖

由于消力池導(dǎo)墻高度不足，水流未出消力池就斜向電站尾水渠方向，并且消力池左右兩側(cè)均存在大范圍的回流區(qū)，兩側(cè)回流區(qū)部分水流均直接從消力池兩側(cè)橫向進(jìn)入消力池，影響水躍的形成。

3.3 消能效果

校核工況和設(shè)計(jì)工況，水流在消力池中發(fā)生劇烈翻滾，紊動(dòng)強(qiáng)烈，消能較為充分，消能率分別達(dá)到了36.6%和55.2%;消能工況時(shí)，雖然水流在消力池中未見翻滾，主流潛底，但是由于消力池中的水墊深 (校核工況和消能工況下游水深達(dá)到了18.30m和15.50m)，流速減緩作用還是比較明顯，消能率也達(dá)到了53.7%。究其原因，主要是原設(shè)計(jì)方案消力池坎后長(zhǎng)度為64.60m、底高程214.00m的混凝土護(hù)坦，其末端與原河道地形自然銜接，而河道高程約220.00m，這樣就形成了實(shí)際上的二級(jí)池情況。

水流出護(hù)坦末端后存在二次跌落情況，特別是設(shè)計(jì)和校核工況，流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于護(hù)坦上的流速，需要注意河道的保護(hù)。

3.4 堰面壓力分布

校核工況時(shí)，實(shí)測(cè)最大負(fù)壓值1.87mH2O，最小氣穴指數(shù)為0.53;消能工況時(shí)，實(shí)測(cè)最大負(fù)壓值1.00mH2O，最小氣穴指數(shù)為0.69。滿足SL 319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的在當(dāng)?shù)卮髿鈮簵l件下，當(dāng)宣泄校核洪水位閘門全開時(shí)，負(fù)壓值不應(yīng)超過6.00mH2O。氣穴指數(shù)均大于臨界氣穴指數(shù)σ=0.3，所以溢流堰面不至于發(fā)生氣蝕破壞，溢流曲線基本合適。

3.5 存在的主要問題

(1)泄流能力富裕度過大;

(2)消力池邊墻高度不足;

(3)左右側(cè)回流區(qū)及流速較大，影響電站尾水渠出水;

(4)消能工況消力池主流潛底。

4 推薦方案試驗(yàn)成果

4.1 工程布置

為了消除消力池左右側(cè)大范圍回流區(qū)，減輕對(duì)兩岸以及電站尾水渠的影響，提高消能效果，對(duì)工程布置進(jìn)行了以下修改:

(1)加設(shè)消力池右側(cè)導(dǎo)墻:消力池右側(cè)加設(shè)直立導(dǎo)墻到0+060m，頂高程227.00m;

(2)設(shè)置電站尾水渠右側(cè)導(dǎo)墻:右側(cè)加設(shè)15.00m長(zhǎng)導(dǎo)墻，右偏15°，頂高程227.00m;

(3)泄洪閘往大壩左側(cè)平移兩個(gè)壩段位置，平移36.00m;

(4)泄洪閘閘墩墩尾設(shè)置寬尾墩:寬尾墩長(zhǎng)度6.00m、墩首寬度2.50m、墩尾寬度7.00m，收縮比0.4375，頂高程237.00m。

修改后工程平面布置、剖面布置見圖6～9。

圖6 推薦方案平面布置圖 單位:m

圖7 推薦方案泄洪閘剖面圖 單位:m

圖8 寬尾墩平面布置圖 單位:m

圖9 寬尾墩剖面布置圖 單位:m

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)回流區(qū):在消力池導(dǎo)墻和電站尾水渠導(dǎo)墻的作用下，下泄水流在消力池左右側(cè)的回流范圍大大減小，回流強(qiáng)度也大大減弱。在右側(cè)壩腳附近，回流幾乎消失，電站尾水渠出口基本不受回流的影響。

(2)消能效果:在寬尾墩作用下，入池水舌縱向拉開非常明顯，水流在消力池內(nèi)形成強(qiáng)烈旋滾，消能充分，池長(zhǎng)即使縮短15.00m也能夠滿足消能要求。在消能工況下，水流主流潛底現(xiàn)象基本消除，消力池坎上流速分布比較均勻，左右基本對(duì)稱，垂向面大底小，消力池尾坎上平均流速為2.0m/s，消能率約56.9%。另外，水流出消力池后，基本沿著河道中間下泄，原先斜向電站尾水渠的現(xiàn)象消除了。設(shè)計(jì)工況及消能工況水流流態(tài)見圖10、圖11。

圖10 推薦方案設(shè)計(jì)工況閘下水流流態(tài)圖

圖11 推薦方案消能工況閘下水流流態(tài)圖

5 結(jié)語

通過水工模型試驗(yàn)，對(duì)潛明水庫(kù)泄洪閘的平面布置進(jìn)行了優(yōu)化論證，試驗(yàn)提出的工程布置推薦方案，可以有效減輕下泄水流對(duì)左右兩岸的沖刷，以及對(duì)電站尾水渠的影響。特別是利用寬尾墩+底流消能技術(shù)可以有效提高消能效果，該技術(shù)在浙江省尚屬首次應(yīng)用。

［1］包中進(jìn)，屠興剛.好溪水利樞紐工程潛明水庫(kù)一期泄洪閘水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2013.

［2］李煒，徐孝平.水力學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2000.

［3］李煒.水利計(jì)算手冊(cè) ［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2011.

［4］包中進(jìn)，陸芳春，史斌.浙江省曹娥江大閘水力特性試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005(5):60-63.

［5］史斌，包中進(jìn)，陸芳春.曹娥江樞紐閘下沖刷試驗(yàn)研究 ［J］.浙江水利科技，2004(6):32-34.

［6］包中進(jìn)，王月華.基于FLOW-3D軟件的溢洪道三維水流數(shù)值模擬［J］.浙江水利科技，2012(2):5-9.