某水库溢洪道除险加固工程方案比选试验研究 林佳明

某水库溢洪道除险加固工程方案比选试验研究林佳明

摘要：某水库溢洪道在泄洪过程中出现险情，需进行除险加固处理。本文基于

模型试验研究了水库溢洪道除险加固方案中增大溢洪道泄槽底坡除险加固方案和

台阶式溢洪道除险加固方案，对方案中水流流态、消能率等水力特性进行了研究，试验结果表明：采用台阶式溢洪道满足了溢洪道泄洪能力要求，大大提高了消能率，并且改善了溢洪道内水流流态，最终选定台阶式溢洪道消能方案作为水库溢

洪道除险加固方案。

关键词：台阶式溢洪道；除险加固工程；方案比选

1工程概况

某水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、引水发电系统、引水灌溉系统、导流洞、坝后式发电厂房及升压站等组成。该水利枢纽水库总库容1.214亿m3，防洪库容530万m3，电站装机容量16MW，以灌溉和发电为主、兼顾防洪等综合利

用的大（二）型水库。根据工程设计资料，溢洪道为Ⅱ级永久性建筑物，溢洪道

设计洪水频率为100年一遇（1%），泄流量Q=1360m3/s；校核洪水频率为2000

年一遇（0.05%），泄流量Q=1690m3/s。水库正常蓄水位（设计洪水位）148m，校核洪水位149.35 m。溢洪道布置在左岸垭口，控制段堰型选择WES堰，堰顶高程137.00m，两孔溢洪表孔，每孔净宽11.5m，由11.5ｍ×11.5m弧形闸门控制。

溢洪道由进口段、控制段、泄槽段、消力池、护坦和出水渠组成，全长约450m。

某水库溢洪道在流量逐渐增大的泄洪过程中，由于溢洪道消能不充分，泄槽

尾部底板基础岩石脆弱，混凝土底板被高速水流冲刷破坏并逐渐剥离，且剥离区

不断往上、下游扩展，逐渐在基础软弱部位形成冲坑，右岸边坡局部塌方，溢洪

道出现险情，需对溢洪道进行除险加固。

2试验成果及分析

2.1泄流能力

试验率定了闸门全开时溢洪道2孔的泄流能力，如图2所示，下泄

Q=1690m3/s（P=0.05%）时，试验上游库水位为147.90m，较设计校核洪水位149.35低1.45m；下泄Q=1360m3/s（P=1%）时，试验上游水库水位为146.45m，较设计洪水位148.00m低1.55m。泄流能力满足设计要求，控制段堰形满足设计

要求，实测水位远低于设计水位，设计值偏保守。

图2 库水位~流量关系曲线（闸门全开）

2.2泄流流态

在各级流量下，闸室前端出现不同程度的吸气漩涡，受中墩影响，两孔水流相交重叠产

生水翅，由于边墩与边墙连接不平顺，两侧边墩处也出现水翅，随着流量的增大，水翅高度

增大，并超出边墙。在小流量下，消力池内形成明显的回流，当流量为300m3/s时，消力池

内水流极不平顺，水流对消力池右岸冲击较大，右部水流翻滚强烈，右部水跃开始跃出消力池，当流量为600m3/s时，水流冲击消力墩，逆时针回流现象消失，整个消力池内出现良好

的水跃现象，随着流量增大，消力墩对水流的影响作用加大，当流量达到971m3/s（3.33%），消力池内由水跃变成水幕，水幕高度在校核流量下（Q=1690m3/s）达到37.75m，由此可知，增大泄槽底坡除险加固方案消能效果非常不理想，该方案不能满足设计消能要求。

3台阶式溢洪道方案试验

试验结果表明初步拟定的除险加固方案消力池消能效果较差，进水口、闸室出口、消力池、出水渠及下游都存在不良流态。

3.1泄流流态

台阶式溢洪道除险加固方案的试验研究结果中闸室内未见不良水力现象，在闸室出口处，

由于扭面的设置使得边墩与泄槽平顺连接，水翅现象消失。在第三级台阶上设置掺气槽后，

小流量条件下，掺气槽下游出现水流平挑现象，影响范围在收缩段内，进入直线段后，流态

恢复平顺；大流量下，台阶上水流掺气明显，并在靠近台阶内侧形成稳定的掺气漩涡，大大

提高了台阶的消能能力。

3.2消能效果分析

消能效果一般通过消能率来分析，试验中泄槽和消力池总消能率的计算是根据坝体上下

游断面能量守恒定理，采用通过泄槽和消力池的能量损耗与上游总能量之比作为衡量能量损

失效率，计算公式如下：

1690（0.05%） 56.00 8.00 7.07 81.16

3.3阶梯陡坡面压强

由于阶梯跌坎下游面出现漩涡，局部将会出现负压。试验中下泄流量越小，出现负压的

测点越多，主要原因是下泄流量较小时，在靠近台阶形成了稳定的顺时针漩涡，水流表面掺

气明显，易形成负压；随着下泄流量的增大，负压主要出现在台阶的侧向测压孔处，其他测

点时均压强均为正压；最大负压为-0.76（×9.8KPa），出现在流量为250m3/s时的第七级台阶侧向测压孔处，所有测点处负压值都小于1（×9.8KPa），负压相对较小。因此，阶梯陡坡面

出现空蚀破环的可能性较小。

4结论

闸门全开时溢洪道泄流能力率定试验发现，闸孔的泄流能力满足设计要求，控制段堰形

满足要求，但设计值相对较保守。增大泄槽底坡除险加固方案中，溢洪道泄流流态不稳定，

消能效果很差，不能满足设计要求。在台阶式溢洪道方案中：将闸室出口后泄槽连接段的斜

坡翼墙改为扭面能有效的消除闸室出口水翅；溢洪道内水流流态基本稳定，总消能率随着下

泄流量增大而减小，总消能率达到了81.16~94.96%，消能较为充分，并且台阶内出现的负压

相对较小，出现空蚀破坏的可能性较小；消力池加深、加长，并结合消力墩能有效改善消力

池内水流流态，使得消力池内形成淹没水跃，提高了溢洪道的消能能力。因此，选定台阶式

溢洪道除险加固方案为水库除险加固方案。

参考文献：

[1]伍平，王波，陈云良，周勤.阶梯溢洪道不同坡比消能研究[J].四川大学学报（工程科学版），2012，44（5）：24-29.

[2]张峰，刘韩生.台阶式溢洪道消能特性的研究[J].水利与建筑工程学报，2012，10（4）：11-13.