邱海娟

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州730000）

1 概况

梁河水库位于庄浪县北洛河支流南河上，是以农村人饮供水为主的水源工程，水库总库容165.4万m3，属Ⅳ等小（1）型工程。工程主要由均质土坝、泄洪建筑物、输水管及上坝管理道路组成。最大坝高41.7 m。本枢纽工程防洪标准设计洪水频率为30年一遇，洪峰流量为60.1 m3/s；校核洪水频率为300年一遇，洪峰流量为146 m3/s；消能防冲建筑物洪水标准按20年一遇洪水设计，洪峰流量为48.2 m3/s。泄洪兼导流洞为本工程的主要泄洪建筑物。

2 泄洪洞水力设计

2.1 泄洪方式

由于本工程左岸边坡较陡，且需布置上坝道路，在左岸布置开敞式溢洪道后形成高边坡且投资大，因此本工程泄洪建筑物布置采用泄洪洞与溢洪道合二为一相结合，进水塔后共用同一隧洞的泄洪方式。设计塔式进水口单侧竖井式溢洪道三面自由溢流实用堰长23.5 m，最大泄量为43.8 m3/s。泄洪洞进口为一有压短洞，其后的洞身为无压流，运行在校核洪水下为全开状态，其他均为局部开启，校核洪水位时泄洪洞最大泄量95.7 m3/s。在此重点论述泄洪洞及出口消力池的水力设计。

2.2 泄洪洞水力设计

泄洪兼导流洞布置在右坝肩山体内，为一无压城门洞形隧洞，塔式进水口后接渐变段与洞身段相接，隧洞出口通过渐变段与消能段衔接。泄洪兼导流洞总长312.01 m，其中：塔式进水口后接渐变段与泄洪洞相接，渐变段长35 m，渐变段内设有长5 m的导流墩将水流平顺的导入泄洪洞。为改善进水口水翅现象，在渐变段到隧洞弯道段前端的洞内设置压水板，压水板下缘位于隧洞直墙段与圆拱段交界处，渐变段压水板纵坡与渐变段顶板平行，直道段压顶板纵坡与洞底平行。隧洞洞身段长277.01 m，隧洞纵坡设计采用1/11.5，隧洞进口底板高程2160.00 m，隧洞出口底板高程2132.87 m。隧洞为无压城门洞，洞宽3.6 m，洞高4.6 m。

泄洪兼导流洞洞前流态判别及计算参照水力设计手册（中国水利水电出版社）中关于隧洞水力计算相关公式，首先根据隧洞洞前水深进行流态判别，对于陡坡隧洞，可根据以下公式进行判别：

式中：H为以隧洞进口底板高程起算的洞前水深，a为洞高。

本工程洞高3.6 m，即当洞前水深H＜4.32 m时隧洞为无压流，无压流按照堰流公式计算；洞前水深4.32＜H＜5.4 m时为半有压流，当洞前水深H＞5.4 m时隧洞为有压流，半有压流和有压流均可采用以下公式计算其泄流能力：

式中：μ为流量系数，经计算为0.764；ω为隧洞出口断面面积，m2；T0为上游水面与隧洞出口底板高程的差，m；hp为隧洞出口断面水流的平均单位势能，m。

根据以上公式计算，泄洪隧洞出口闸孔全开时，校核洪水位2184.4 m时，洞进口最大水头24.4 m，最大泄流量为95.7 m3/s。

2.3 泄洪洞出口消能设计

由于泄洪洞单宽流量大，总能头高，泄洪洞出口处表层为洪积块石碎石土，厚约9 m。下伏岩性为白垩系砂岩、砂砾岩夹泥质砂岩，泥钙质胶结，属较软岩，易冲刷，所以泄洪洞出口消能型式采用底流消能。

消力池采用等宽矩形断面，底板高程2131.68 m，根据采用《溢洪道设计规范规范》中附录A.6公式进行计算结果，池长45 m，池深3.0 m，池宽10 m，侧墙高5.5 m。由于洞出口流速较大，水头较高，池内设辅助消力墩两排，第一排消力墩前缘距尾坎26.5 m，设2个消力墩，第二排消力墩前缘距尾坎12.5 m，设3个消力墩。

3 水工模型试验

由于本工程泄洪洞坡度较陡，流速较大，设计对经验公式计算参数难以准确计算，因此需要根据模型试验进一步确定计算参数。水工模型试验委托河海大学进行，模型按照重力相似准则设计、制作，根据试验要求模型几何比尺λL=40，压强比尺λp=40，流速比尺λV=400.5=6.325，糙率比尺λn=401/6=1.849。通过试验确定以下事项：①研究泄洪洞在各种工况和开度下的过流能力，率定流量系数；②研究泄洪洞在各种泄流工况下的消力池水流流态及流速分布，以确定合理的出口消能形式。

3.1 原设计方案试验结论及存在问题

（1）泄洪洞泄流能力试验

试验首先根据原设计方案制作水工模型进行试验，校核洪水位2184.4 m弧门全开时，下泄流量试验率定结果为125 m3/s，率定流量系数为0.98，较理论计算结果大，表明设计的泄洪洞的断面能满足300年一遇的校核洪水泄流。

（2）泄洪洞出口消力池试验

试验对原方案校核洪水情况下游消能情况进行测试，泄洪洞进口段水流流态极为复杂。随着流量增大，洞内水流呈低压-明满流状态，因进口前段水流携带大量气体进入泄洪洞，泄洪洞全程水流流态并不稳定。此种工况下，过堰下跌水流不能在消能井内消散大部分能量，出泄洪洞水流流速较大，直接冲击消力池内消力墩，形成强烈水溅现象，推测是跃后水深不足以形成水跃引起，说明消力池内辅助消能工设置不甚合理。消力池内水流流态见图1。

图1 原设计方案消力池水流流态

3.2 模型试验对消力池设计结构优化

（1）消力池初步优化方案

为改善泄洪洞后消力池消能效果，调整消力池40.00 m池长为45.00 m，并加高消力池边墙（最终消力池边墙高度可参考试验中量测的最高水位确定），暂时取消消力池内辅助消能工（双排消力墩）。需说明的是，为和原设计方案试验成果进行比较，本次试验同样根据校核洪水位下运行工况的水流流态判断修改方案合理性。

此初步优化方案在校核水洪位工况下，水流消力池内形成远驱水跃，跃首位于消力池中部，说明需要对消力池设计进行进一步优化。初步优化后的消力池内水流流态见图2。

图2 初步优化后消力池水流流态

（2）消力池进一步优化方案

针对校核洪水位下消力池内水流流态存在跃首位于消力池中部的现象，分别进行如下三种消力池优化比选方案：

1）在消力池内增设如原设计方案设计的消力墩，前排（顺水流方向）设置两个消力墩，后排设置三个消力墩，前墩前缘距尾坎25.5 m，后墩前缘距尾坎11.5 m，同时，根据池内水深将消力池侧墙由设计的5.5 m调整为8 m。2）在消力池比选方案1基础上两排消力墩前移4.00 m，即前墩前缘距尾坎29.5 m，后墩前缘距尾坎15.5 m。3）在消力池比选方案2基础上两排消力墩前移2.00 m，即前墩前缘距尾坎31.5 m，后墩前缘距尾坎17.5 m。根据校核洪水位下泄洪洞与溢流堰联合运行时消力池内水流流态分析判断消力池优化比选方案的合理性。

根据消力池比选方案模型试验中消力池内水流流态，增设消力墩后，消力池内可以形成强迫水跃，随着消力墩整体前移，水跃跃首亦逐渐前移，消力池比选方案3中，水跃跃首已接近消力池斜坡段末端，亦表明此工况下消力池内水跃已接近临界折坡水跃状态。

根据试验成果，可以说明消力池比选方案3中确定的消力池体型为比选方案中较优体型，水流出泄洪洞后在消力池内形成完整水跃，水跃在消力池前段区域内发生，出消力池尾坎水流进入下游明渠有一定跌落，水流经明渠段后进入下游河道。相应的消力池水流流态见图3，消力池设计图见图4。

图3 进一步优化后消力池水流流态

图4 进一步优化后消力池设计图

4 结语

本次泄洪洞设计为验证泄洪洞的泄流能力，通过水工模型试验发现隧洞泄洪能力较理论计算具有一定的超泄能力，为工程建成后的运行管理提供了依据。

根据试验结果，对泄洪洞出口消力池的长度、侧墙高度及池内辅助消能工的布置进行了调整，达到工程经济可靠的目的。