史 明

（额敏县水利管理总站，新疆 额敏 834600）

1 引言

目前，我国已经建成水库8 万多座，其中大型水库有500多座，位居世界首位。水库在防洪、发电、供水和灌溉方面起着重要的作用，对我国的环境保护和农业生产发挥了显著的效益，也明显加快了我国经济建设和社会发展步调[1]。我国水库主要建设于上个世纪60 年代前后，受到建设期经济的制约和技术的限制，这些水库基本都存在建设标准低、整体施工质量差等现象，且在近半个世纪的运行中存在管理手段相对落后、维护与更新力度不足，缺乏专业的技术人员等因素，导致水库年老失修问题严重，其中部分水库处于“带病”运行状态，存在一定的潜在危险[2]。因此，针对“带病”水库的除险加固研究显得格外重要，“带病”水库的除险加固可以增强水库的储备的调度能力，加强水库的防洪功能，最大限度的发挥水库的综合效益[3]。同时，水库的除险加固还能消除水库的安全隐患，避免水库出现溃坝等严重危害人民群众生命财产安全等事件的发生[4]。

近些年来，针对水库除险加固的研究越来越多，研究主要集中于水库危险性程度的鉴定[5]、风险预警方法[6]、加固理论和效果[7]等方面。以上研究对于及时评价水库危险性、采取合理的监控手段、采取相应的处理措施、进行水库处理效果评价有非常重要的意义。根据统计资料显示[8-10]，水库因为泄洪能力不足而导致的漫顶为溃坝的主要模式。因此，针对水库除险加固处理过程中溢洪道修建显得格外重要，以此来增加水库防洪、调度能力，降低水库潜在威胁。随着水力模型试验的日趋成熟与完善，使得水工建筑物水力特征的研究更为完善，对水工建筑物的评价更为科学，利用水力模型试验研究，能够直观预测除险加固效果，准确对除险加固效果进行评价。

2 工程背景及试验参数

2.1 工程背景

选定西部山区某水库进行研究，水库流域控制面积292 km2，水库总库容1.93 亿m3，是一座以防洪灌溉为主的大（2）型水利枢纽。水库修建于上世纪60 年代，限于当时建设标准低、施工技术差，水库建设完成后数十年经过多次修缮，修缮后水库依然存在部分质量问题，表现为明显的泄流能力不足，安全隐患严重。在20 世纪初，水利部对国内水库运行情况进行鉴定时，将该水库划定性为重点危险水库。针对该水库的除险加固包括大坝加固、溢洪道重建、输水隧洞防渗漏处理等工作，本文对水库除险加固中的新建溢洪道进行研究。

新建溢洪道主要包括引渠段、控制段、陡坡段、一级消力池、泄槽段、二级消力池及尾水渠段，总长683 m，其中新建溢洪道各段分段号及技术参数见表1。

新建溢洪道段内设置有2 个弯道，其中1#弯道桩号为0+096～0+243，弯道中心线半径210 m。2#弯道桩号 0+406～0+426，中心线弯道半径227.4 m。

2.2 试验参数

溢洪道水流主要受重力作用，因此对新建溢洪道水力模型宜采用重力相似原则进行设计，以保证水流流态和集合边界条件相似。结合现场试验条件，确定模型几何比例λL=50，模型水力参数见表2。

表2 模型水力参数

水力模型制作材料使用有机玻璃，新建溢洪道运行工况分别为考虑50 年一遇洪水、100 年一遇洪水和2000 年一遇洪水，对应水库上游水位和河道下游水位分别为156.17 m/134.05 m、157.50 m/134.653 m 和 160.34 m/135.148 m。利用 DJ800 数据采集仪对溢洪道水力模型进行全阶段底部压力监测，并在尾水渠处安装旋浆流速仪，全过程进行数据监测。水力模型试验图见图2。

图2 新建溢洪道水力模型

3 试验结果分析

3.1 溢洪道底部压强特征

依据压力传感器监测不同工况下溢洪道水力模型沿程压强分布，不同工况下溢洪道水利模型底部压强分布规律相似，选定工况为2000 年一遇洪水时溢洪道底部沿程压强分布，见图3。

图3 2000 年一遇洪水溢洪道底部沿程压强分布图

由图3 可以得出，新建溢洪道底部压强在溢洪道不同部位差异较大，压强大小基本与溢洪道水深保持一致。其中，溢洪道底部压强最大部位主要出现在一级消力池和二级消力池，主要原因为消力池在溢洪道中起着消能降速的作用，所以消力池一般需要向下开挖，导致消力池处水深较大，因此消力池处底部压强较其他部位较大。对比一级消力池和二级消力池之间的差异可以看出，一级消力池底部压强波动明显大于二级消力池底部压强波动，这是因为水流通过一级消力池时具备的能量较大，水流流态较为复杂，到达二级消力池时水流流态相对稳定，因此二级消力池底部压强相对稳定。观测溢洪道水力模型在泄水过程中压强变化图发现，溢洪道泄流过程中底部均未出现负压状态，由此说明溢洪道设计科学，消能设置安排合理，有利于增加溢洪道使用年限。

3.2 尾水渠流速特征

依据尾水渠出口处旋浆流速仪进行水流流速监测分析时，发现不同工况下尾水渠出口处水流特征相似，选定水力模型运行工况为2000 年一遇洪水进行尾水渠出口河道流速分析，得到工况为2000 年一遇洪水时尾水渠出口处水流流速特征，见图4。

图4 2000 年一遇洪水下游河道流速分布图

由图4 可以看出，溢洪道尾水渠水流流速呈现大体对称，总体主流向右岸偏移的现象，这主要是受到溢洪道尾水渠形状和下游河道地形所影响。观测流速特征可以得到，从桩号0+600～0+625 主流流速逐渐增大，随后开始降低，其中最大流速为0+625 处的11.05 m/s。利用该水力模型进行对比试验发现，未安装二级消力池时，水流流速达到20.8 m/s，相比较未安装溢洪道二级消力池时，该溢洪道水流流速显著降低，说明溢洪道消力池有较好的消能效果，该溢洪道能显著降低水库过坝水流冲刷作用。

3.3 泄流能力

分别对3 种工况下新建溢洪道泄流能力进行试验，得到的不同工况下溢洪道敞泄时流量结果见表3。

表3 各工况下溢洪道敞泄流量试验结果

由表3 可以发现，水力模型试验流量均略大于设计流量。其中，3 种工况下设计值流量分比为 1959 m3/s、2203 m3/s、3184 m3/s，试验值敞泄流量分别为 2071 m3/s、2394 m3/s、3479 m3/s，同比分别增大5.7%、8.7%、9.3%。水力模型试验值大于设计值的原因为制作过程中材料差异和精度差异而造成的误差，且该误差随着流量的增大而逐渐被放大。对比设计值和试验值之间的差异，试验值相比设计值在工况为2000 年一遇洪水时差异为9.3%，差异较小，由此说明水力模型试验结果可靠。由此，依据水水力模型试验结果，可以得出该新建溢洪道泄流能力满足要求，能够降低水库在应对不同等级洪水时的泄流要求，增强水库防洪调度能力。

4 结论

为增加水库防洪调度能力，提高水库抗洪能力，对“带病”水库进行除险加固处理，其中除险加固水库新建溢洪道可以避免水库由于漫顶而出现的溃坝现象。针对西部某除险加固水库新建溢洪道进行水力模型试验研究，得到如下结论：

（1）不同工况下，除险加固水库新建溢洪道敞泄过程中，溢洪道底部沿程压强分布规律相似，溢洪道底部沿程压强值与溢洪道水深基本一致；溢洪道底部压强最大值出现在一级消力池和二级消力池内部；溢洪道敞泄过程中底部未出现负压。

（2）不同工况下，除险加固水库溢洪道敞泄过程中，水流通过尾水渠进入河道流速规律相似；在2000 年一遇洪水工况下，尾水渠水流进入河道最大流速为11.05 m/s，远小于未设计二级消力池的溢洪道；该除险加固溢洪道设计合理，具备较好的效能效果。

（3）3 种工况下除险加固水库溢洪道设计值流量分比为 1959 m3/s、2203 m3/s、3184 m3/s，试验值敞泄流量分别为2071 m3/s、2203 m3/s、3479 m3/s，同比分别增大 5.7%、8.7%、9.3%；该新建溢洪道泄流能力满足要求，能够降低水库在应对不同等级洪水时的泄流要求，增强水库防洪调度能力。