册田水库溢洪道水力特性物理模型试验

王挺力，侯振伦，王 晖

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

1 工程概况

册田水库位于桑干河中上游，山西省大同县境内西册田村北，属海河流域永定河水系，距大同市60 km，坝址以上控制流域面积16700km3，占下游官厅水库流域面积38.5%。总库容5.8亿m3，正常蓄水位956.00 m，死水位951.00 m，是一座多年调节的大（Ⅱ）型水库。大坝为均质土坝，坝顶高程962.00 m，最大坝高42.00 m，水库主要任务为防洪、灌溉、城市供水以及承担着“21世纪初期首都水资源可持续利用项目”中为北京市输水的任务，是山西省唯一一座全国重点防汛水库。

水库正常溢洪道位于大坝左坝肩，为岸边潜孔式正槽溢洪道，包括闸前防渗段、闸室控制段、泄槽段及挑流鼻坎消能段4部分，全长492.7 m。其中，闸前防渗段长18.0 m，宽38.6 m，底高程为943.3 m；闸室控制段长28.0 m，总宽度38.6 m，设4孔带胸墙的泄洪孔口，孔口宽8.0 m、高6.0 m，闸墩厚2.2 m，溢流堰为无底坎宽顶堰，堰顶高程943.3 m；泄槽段长411.7 m，泄槽净宽40.0 m，泄槽边墙高7.0～5.1 m；挑流鼻坎段长35.0 m，为差动式挑流消能，鼻坎顶高程938.9 m，下游为玄武岩地层。

溢洪道现状为混凝土结构，由于20世纪70年代混凝土施工技术落后，泄槽混凝土壁粗糙不平，同时经多年的泄水运用以及闸门平时漏水，造成混凝土老化加速与冻融破环现象严重，致使泄槽部分混凝土剥落，严重影响溢洪道正常行洪及其结构安全。

册田水库除险加固中正常溢洪道设计（P=1%）泄量2002m3/s，相应的水库水位为957.65 m，校核（P=0.05%）泄量2 225.6 m3/s，相应的库水位为960.19 m，下游防洪标准为20年一遇洪水，相应泄量为1 500 m3/s。正常溢洪道加固工程包括：闸室上游侧闸墩及两侧导墙、检修闸与门槽、泄槽边墙及底板、挑流消能工的改造等。闸室控制段的加固以维持原断面大小不变为原则，泄槽段边墙与底板的加固措施为：0-055以下段凿毛后，挂钢筋网、打锚筋，再浇筑20 cm厚的C30HF300W4混凝土，加固后泄槽净宽为39.6 m。对底坡也进行了调整，其中0-055以上为0，0-055～0+002段底坡为0.028 6，0+002～0+200段底坡为0.000 3，0+002～0+250段底坡为0.004，0+250～0.346.7段底坡为0.023 8。其他部分的加固基本上在不改变现形状尺寸的情况进行。

2 模型设计

册田水库正常溢洪道全长为492.7 m，根据试验场地及供水条件，在满足试验任务和要求的前提下，同时考虑首部进水及尾部回水的布置，确定模型几何比尺为60，模型采用正态模型，按重力相似准则设计。流速比尺为7.75，时间比尺为7.75，流量比尺为27 885.48。

模型最小雷诺数满足紊流限制条件。依据阻力相似要求，模型糙率比尺为1.98。原型溢洪道为混凝土，底板及边墙分缝，平均糙率约为0.014，则要求模型糙率为0.007 1。模型全部采用优质有机玻璃加工制作，一般有机玻璃板的糙率在0.007～0.009，模型用优质有机玻璃制作能满足糙率相似要求，从而满足阻力相似。

模型由水泵、阀门、模型水库、溢洪道试验段、尾水渠、尾水池、回水管和电磁流量计等组成，具体布置见图1。模型首部设有4.5 m×4.5 m的模型水库，模型溢洪道试验段长为8.5 m，为了更好反映首部进水条件，模型首部适当加长，模拟至原体前端断面。模型试验的供水采用闭路水循环系统。尾水池的水由水泵抽入模型首部的模型水库，水流流经溢洪道模型试验段后，经挑流通过尾水渠，返回尾水池，形成水流循环系统。在连接水泵与尾水池的回水管中部设有电磁流量计，进行流量测量，流量由设在水泵出口的阀门控制。

图1 模型布置示意图

3 模型试验成果及分析

3.1 流态描述

闸室控制段为带胸墙孔口，根据模型试验观测，水位953 m左右是流态由堰流向孔口出流过渡的水位。库水位低于953 m时，属于堰流，库水位大于953 m属于孔口出流。

水流由水库进入溢洪道前沿后，水面宽度减小，流速逐渐增大，水面逐渐降低。右岸由于为圆弧翼墙，各流量下水流均表现平稳，进流平顺。左岸为分隔正常溢洪道与大同市引水进水口的导墙，导墙较长且墙上设有减压孔，因此，左岸闸孔前水流流态比较复杂。导墙的存在使得水流不能平顺进入闸孔，在导墙前端有明显的绕流。流量较小时，闸前流速小，绕流较弱,进流平顺，闸前左右岸水位差较小；流量较大时，绕流现象剧烈，导墙两侧闸孔一侧水位低于大同市引水进水口一侧，水位差的存在使得水流经减压孔流向闸孔一侧，在闸前形成明显的横向出流，从而使得左侧闸孔闸前水流不平顺，且水位明显低于右侧孔口。总之，由于导墙和减压孔的存在，造成了左右岸闸孔进流不均匀的现象。孔流时更为明显，由于左侧闸孔闸前水位低，左侧孔口在库水位达955 m时，才由堰流变为孔口出流。

水流进入闸室段后，流动方向与闸墩基本平行。水流流经闸室控制段后，由于闸墩尾部的影响，在泄槽中形成明显的菱形冲击波，并一直在泄槽水流表面存在。在大流量下，整个泄槽水流比较平顺，在反弧段前，由于泄槽扩散，水面有一降落，水流经反弧段后，在挑坎处顺利挑出。

对于泄槽中水流流态的观察发现，在泄量约大于500 m3/s的情况下，泄槽中水面线平顺，没有大的突变发生。当泄量小于500 m3/s时，在0+180的变坡点下游，水面开始有微小的雍高。随着流量的减小，雍高位置向上游推进，当流量为300 m3/s时，在0+075处，发生明显的波状水跃，随着泄量的减小，水面突变点上移，向变坡点靠近。观察分析认为，尽管发生了水跃，但此时流量小，边墙高度完全能够满足要求，不会对泄槽安全造成威胁。

3.2 溢洪道水位与泄量关系

正常溢洪道闸室控制段为胸墙孔口，试验结果表明，库水位低于953 m时为堰流，大于953 m时为孔口出流。图2为实测的水位流量关系曲线，图3为根据实测数据拟合的m或u与H的关系。

图2 水位流量关系曲线

图3 流量系数m与H的关系曲线

图4为各设计阶段水位流量关系曲线与实测水位流量关系曲线的比较。由图可见，在堰流流态下，实测点与各水位流量关系曲线吻合良好，而孔口出流流态下，在同一水位下实测流量较设计值偏大。分析认为，设计时按一般孔口出流计算，但胸墙下缘为与流线吻合良好的1/4椭圆曲线，流量系数较一般孔口出流要大一些。从实测水位流量关系曲线可知，溢洪道在下泄设计流量及校核流量时，对应实测水位分别为956.30 m及957.89 m，均小于原设计值，原设计偏于安全。

3.3 水面成果及分析

流量为2 002 m3/s时的溢洪道水面线，见图5。

图4 水位流量关系比较

图5 溢洪道水面线（2 002 m3/s）

由试验成果可知：

（1）在堰流情况下，由于闸前左岸分隔墙及减压孔的影响，左岸闸前水面线和闸后一段范围内水面线均低于右岸。在0+002断面后左、右岸水面趋于相同，在其后的泄槽内沿横断面水深基本均匀。

（2）在孔流情况下，闸前左岸水位低于右岸水位，但流经孔口后，沿横断面水深趋于均匀，各流量下泄槽内水面线平顺，没有大的突变发生。

（3）当流量小于500 m3/s时，在0+002变坡点下游，发生波状水跃现象，水面线发生突变。

（4）在0-065～0-055的扩散段，因为扩散角很小，对水面线的影响不显著。

（5）在泄槽中，由于冲击波的影响，左右岸水深不完全相同。

（6）图3中，水面线与设计资料给出的设计边墙高度比较可知，小于校核流量时，设计边墙高度均能满足下泄流量的要求。但下泄2 400 m3/s流量时，尽管水面低于边墙，但部分泄槽段边墙高度不能满足安全超高要求。

3.4 流速成果及分析

由试验成果可知：

（1）溢洪道泄槽中各流量下，沿程流速变化不大，最大流速一般出现在两个较大的变坡点0+002 m和0+346.7 m处。

（2）由于闸前左右岸水流不均匀，右岸水流平顺，受此影响，在泄槽上游段，同一断面位置，右侧流速一般均比左侧略大。但在泄槽下游段，一般轴线流速与两岸流速相差不大，基本呈对称分布。

（3）同一断面位置，平均流速随流量的增加而增加。

（4）在垂直分布上，一般表面流速大于底部流速。

（5）校核流量下，泄槽最大流速14.3m/s，断面平均流速12.29m/s，一般混凝土能满足抗冲刷要求，发生冲刷破坏的可能性很小。

3.5 泄槽流态分析

通过本次模型试验中的观测数据，计算得各断面Fr数均大于1，表明在设计、校核泄量下，泄槽中水流均处于急流流态。而水跃是在急流向缓流过渡过程中发生的局部水流现象，故在设计、校核流量下，泄槽中不可能发生水跃。

4 主要结论及建议

根据模型试验成果分析，册田水库正常溢洪道除险加固工程完成后，能够满足泄洪要求并保证溢洪道安全正常运行。具体结论如下：

（1）溢洪道水位流量关系曲线在堰流流态下与设计计算值吻合良好。在孔流流态下，同一水位实测流量大于设计计算值，表明计算时，μ值取值偏小。实测溢洪道泄流能力大于设计值，设计计算值偏于安全。

（2）溢洪道为胸墙孔口，水位在953 m左右是流态由堰流向孔口出流过渡的临界状态。库水位低于953 m时，属于堰流，库水位高于953 m时，属于孔口出流。由于受闸孔前左侧导墙和减压孔的影响，闸前水流左岸不甚平顺，左岸水位明显低于右岸，从而导致左侧孔口在库水位达955 m时，才由堰流变为孔流。

（3）泄槽内在设计和校核流量下，Fr均大于1，不会发生水跃，而当泄量小于500 m3/s时，泄槽内会发生波状水跃，且随着流量的减小，跃前位置更接近0+002断面。

（4）在设计和校核流量下，泄槽内水面线均小于现有边墙高度，边墙能满足下泄设计和校核流量的要求。

（5）各流量下，泄槽内水流流速符合一般明渠流速分布规律，最大流速14.3 m/s，明渠混凝土被水流冲刷破坏的可能性很小。

[1]吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社.1979.

[2]赵雪萍，赵玉良.李松平.燕山水库整体水工模型试验研究[J].人民黄河，2009.31（9）：124-125．

[3]牛运光.水库溢洪道存在的问题及解决措施[J].人民黄河，1995.17(10)：37～40.

[4]祁庆红.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，1981.