肖对勇

(昭通市水利水电勘测设计研究院， 云南 昭通 657000)

1 工程概况

黑石罗水库位于昭通市昭阳区西北部苏甲乡，属金沙江水系洒渔河左岸一级支流冷水河中下游，距离昭通市城区41km。主要任务是解决昭阳区、永善县冷水河、洒渔河两岸集镇和农村人畜生活供水及农业灌溉供水，同时水库建成后对减轻冷水河、洒渔河沿岸村镇和农田洪水危害有一定的作用。

水库最大坝高78.70m，枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪(导流)隧洞、及输水隧洞等组成。工程区河流两岸坡地形陡竣，大部分基岩裸露，基岩为三迭系下统飞仙关组暗紫色薄-中厚层状粉、细砂岩夹薄层泥岩，第四系覆盖薄，岩层倾角平缓，倾角5°～11°，岩体强风化下限2～8m，无对边坡稳定不利的结构面组合，稳定性较好。

2 工程布置

本工程溢洪道型式为河岸开敞式有闸控制，位于右坝肩，总长323.99m(平距)，包括进口段、控制段、泄槽段、出口消能段。进口段(0-035.000～0+000.000)底坡i=-1/100，进口底板高程2040.15m；控制段长16.25m，堰型为WES实用堰，堰顶高程2043.00m(汛限水位)，溢流净宽8.00m，堰顶设8.00m×6.00m弧形钢闸门1道，采用液压式启闭机(型号QHLY-2×630kN)进行启闭。泄槽段总长272.74m：堰后紧接收缩段(0+016.25～0+046.25)，底宽由8.00m收缩为6.00m(收缩段长30.00m，收缩角1.9°)，底坡i=0.125；第一泄槽段为洞室结构，长163.75m，底宽6.00m，底坡i=0.125；第二泄槽段为明槽结构，长38.294m，底坡i=0.512，底宽6.00m；泄水陡槽变坡处采用抛物线连接，抛物线段长22.224m，底宽6.00m。出口采用挑流消能，长度18.472m，宽度6.00m，鼻坎顶部高程1987.234m，反弧半径23.15m，挑角20°。挑流鼻坎下游接长度15.00m的护坦。

3 水力计算分析

根据工程规模调洪演算成果，溢洪道堰顶高程2043.000m，宽8m，设弧形闸门一道控制堰顶水位；水库总库容4992.10万m3，正常蓄水位2048.50m；设计洪水位(P=2%)2047.90m(主汛期)，溢洪道设计下泄流量159.30m3/s；校核洪水位(P=0.1%)2050.85m，溢洪道最大下泄流量338.60m3/s。下游消能防冲洪水标准为30年一遇(P=3.33%)，溢洪道相应下泄流量131.70m3/s。本工程的水力计算主要从3个方面进行。

3.1 泄流能力计算

本工程溢洪道堰型采用WES实用堰型，按泄流能力公式进行计算：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；B—溢流堰总净宽，m；

H0—计入行近流速水头的堰上总水头，m；g—重力加速度，取9.81m/s2；m—二维水流实用堰流量系数，由SL 253—2018《溢洪道设计规范》表A.2.1-1查得；ε—闸墩侧收缩系数。

其中，

(2)

式中，b—单孔宽度，m；n—闸孔数目；ζ0、ζK—中墩、边墩形状系数由SL 253—2018表A.2.1-3查得；c—上游堰坡影响系数，当堰面垂直时，c=1.0，为斜面时，由SL 253—2018表A.2.1-2查得；σs—淹没系数，由SL 253—2018 A.2.1-3图查得。

经计算，结果见表1。

表1 黑石罗水库溢洪道泄流能力计算成果表

从表1可知：①设计洪水位时，堰上水头为H=4.90m，考虑进口局部水头损失，综合流量系数取m=0.429，过流能力Q=164.80m3/s，大于设计下泄流量159.3m3/s，满足要求。②校核洪水位时，堰上水头为H=7.85m，考虑进口局部水头损失，综合流量系数取m=0.435，过流能力Q=338.85m3/s，大于校核下泄流量338.6m3/s，满足要求。

3.2 水面线计算

水面线按能量方程式分段求和法推算，计算采用校核水位为控制水位，因泄槽上游接实用堰，起始计算断面拟定在堰后反弧段末端。计算公式如下：

(3)

其中，

(4)

泄槽段水流掺气水深按下式计算：

(5)

式中，h、hb—泄槽计算断面的水深及掺气水深，m；v—不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；ζ—修正系数，取值为1.40。

经计算，泄槽段水面线计算结果见表2—4。

表2 泄槽设计水面线推算成果表

表3 泄槽校核水面线推算成果表

表4 泄槽水面线推算成果汇总表

由表2—4可确定泄槽侧墙高度，按校核洪水计算水面线考虑波动和掺气后加安全超高确定，安全超高值取1.5m，因此，确定泄槽侧墙最高处取7.0m，最低处取4.5m。

3.3 挑流消能计算

挑流消能按设计洪水进行计算。挑距计算公式如下：

(6)

式中，L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床面的挑流水舌外缘长度，m;V1—鼻坎顶水面流速，m/s，以鼻坎顶水面平均流速v的1.1倍计;θ—鼻坎挑射角度，θ=20°;h1—挑流鼻坎末端法向水深;m;h2—鼻坎末端至河床表面高差，m。

冲刷坑深度计算公式如下：

T=kq1/2Z1/4

(7)

式中，k—冲坑系数，取1.0；T—水垫厚度，自水面算至坑底；q—单宽流量；Z—上、下游水位差，取65.9m。

经式(6)—(7)计算，挑距L=58.51m，冲刷坑深度T=14.68m。

4 模型试验复核

4.1 目的及内容

(1)通过试验研究，验证溢洪道的布置设计、结构体型及尺寸是否合理、可行，发现可能存在的问题，并对原设计方案进行优化，在确保工程安全的情况下，力求设计技术方案合理，工程造价最省。

(2)研究闸门不同开度情况下，溢洪道的泄流能力，分析得到原设计体型下的溢洪道水位-流量关系曲线；研究下泄各特征流量时，溢洪道控制段实用堰是否产生负压，并评价其影响。

(3)研究溢洪道进口段、控制段、泄槽段流速分布及沿程水面线及压力分布，发现负压产生的可能位置，评价空蚀破坏发生的可能性。

(4)研究溢洪道下泄各特征流量时，溢洪道出口挑射水流的形态、挑距及30年一遇防冲流量时的冲坑形态，评价挑流对溢洪道及相邻建筑物的影响；研究溢洪道的小流量挑射，评价贴坎水流的淘刷影响。

4.2 模型设计制作及试验方法

(1)模型按重力相似准则设计，采用正态模型。经计算比较模型最终选用比尺为λL=40，相应比尺参数：流量比尺λQ=λL5/2=10119，时间比尺λT=λL1/2=6.325，流速比尺λV=λL1/2=6.325，糙率比尺λn=λL1/6=1.849。

(2)溢洪道出口下游地形从反弧段开始，主要采用冲料铺填，局部为水泥硬模。溢洪道进口段、控制段、陡槽段及出口消能段，根据设计的体型尺寸，用有机玻璃制作，其糙率满足试验要求(有机玻璃糙率n为0.007～0.009，混凝土糙率n为0.014～0.017，原型与模型糙率比为1.56～2.43)。

(3)流量测定采用三角形量水堰进行，其原理是通过量水测针测出量水堰堰顶水深值(其精度可达0.1mm)，通过堰顶水头与流量之间的相关关系，计算得到各工况下的相应流量。流速采用OA型直读式多功能测速仪对溢洪道各测试断面进行测定。在溢洪道进口段、控制段、泄槽段、出口挑流段等处共计布设13个测压孔，通过测压管对各点进行压力测定。

4.3 试验成果及分析

4.3.1泄流能力

溢洪道闸门全开，泄流为自由出流时，测得其泄流能力见表5。

表5 闸门全开时溢洪道水位-流量关系表

试验中，对溢洪道进口段进行观测：受来流方向影响，溢洪道进口主流偏于右侧，致使里程0-035.000右侧边墙位置出现局部水面跌落(水面高差0.20m)，继而回升现象。受此影响，溢洪道控制段WES实用堰堰顶横断面水深分布呈左大右小，见表6，对下游流态乃至出口消能有一定影响。随溢洪道下泄流量的增加，上述水流特征更加明显。

表6 控制段堰顶横断面(0+003.152)水深分布表

根据自由泄流测试，测得溢洪道控制段WES实用堰的流量系数m介于0.319～0.445之间。尽管在设计流量情况下，试验得到的水库水位和原设计洪水位(2047.90m)相比高出0.267m，但溢洪道下泄流量(175.97m3/s)明显大于设计要求的159.30m3/s。校核流量情况下，试验得到的水库水位低于原校核洪水位(2050.85m)0.248m，说明溢洪道泄流能力基本能够满足设计要求。溢洪道水位-流量关系曲线如图1所示。

图1 溢洪道水位-流量关系曲线

闸门在不同开度时，溢洪道泄流能力见表7。

表7 不同闸门开度时溢洪道水位-流量关系表

黑石罗水库的防洪调度，在主汛期采用闸门全开，自由泄流；后汛期则需要控制闸门开度，溢洪道的具体操作运用，依据试验研究所提供的溢洪道水位-流量关系成果进行。

4.3.2流态研究

模型试验后，经分析，设计洪水流量下(P=2%)，溢洪道进口水流总体较为平顺。受来流方向影响，在溢洪道进口0-035.000右侧边墙位置处产生水面跌落(最大水面跌落差0.20m)，之后水面回升。受此影响，水流进入控制段后，横断面水深分布不太均匀：左侧堰面水深高于右侧堰面，对下游流态及出口消能形成一定影响。水流进入收缩段后，受边墙偏转的影响，自里程0+016.25开始产生较为明显的冲击波，并向下游传播；在泄槽抛物线段，冲击波已不明显；水流进入第二泄槽段后，由于底坡较陡(i=0.512)，下泄水流虽仍受冲击波影响，但水流总体上较为平顺。

校核洪水流量下(P=0.1%)，溢洪道进口水流总体较为平顺。受来流方向影响，在溢洪道进口0-035.000右侧边墙位置处产生水面跌落(最大水面跌落差0.25m)，之后水面回升。受此影响，水流进入控制段后，横断面水深分布不太均匀：左侧堰面水深明显高于右侧堰面，对下游流态及出口消能形成一定影响。水流进入收缩段后，受边墙偏转的影响，自里程0+016.25开始产生明显的菱形冲击波，并向下游传播，但未发现水流翻越边墙现象；在泄槽抛物线段，仍然可以观察到冲击波，但不太明显；水流进入第二泄槽段后，由于底坡较陡(i=0.512)，下泄水流虽仍受冲击波影响，但水流总体上较为平顺。

4.3.3压力分布和空穴数

溢洪道布设了13个测点，用以研究泄流时的压力分布和空穴数，以设计洪水为代表，结果见表8。

表8 Q=175.97m3/s溢洪道水力要素表(P=2%)

由表8可知，在设计流量情况下，出现堰顶临底流速大于断面水深所对应的平均流速现象。分析其原因在于水流流经控制段堰顶时，由于底部边界变化明显，水流受离心力影响加大，致使此处的压力水头值变化明显。溢洪道出口挑流鼻坎处出现负压，空穴数已低于0.3，里程0+232.224抛物线末端至挑流鼻坎段空穴数接近0.3；表明从里程0+210.000抛物线始端至挑流鼻坎段应采取相应的空蚀控制措施。

4.4 挑流水舌及下游冲刷研究

4.4.1水舌形态

校核洪水流量下(P=0.1%)，溢洪道水舌高度超过设计护坦高程5.68m(水舌厚度4.8～6.0m)，水上最大挑距近75m，水舌平面上呈扩散状，入水宽度由鼻坎处的6.00m扩散至12.00m。

设计洪水流量下(P=2.0%)，溢洪道水舌高度超过设计护坦高程7.43m(水舌厚度3.2～3.6m)，水上最大挑距近70m，水舌平面上略呈扩散状，入水宽度由鼻坎处的6.00m扩散至9.60m。

30年一遇消能防冲洪水流量下(P=3.33%)，溢洪道水舌高度超过设计护坦高程7.40m(水舌厚度3.2～3.6m)，水上最大挑距近67m，水舌平面上略呈扩散状，入水宽度由鼻坎处的6.00m扩散至8.80m。

根据水工模型试验，测得溢洪道起挑流量为12.30m3/s，相应挑距为22.40m，水舌入水宽度3.0m；溢洪道终挑流量为7.60m3/s，相应挑距为17.60m，水舌入水宽度2.70m。设计所采用的护坦长度基本可行。分析水舌宽度减小的原因，在于受上游来流影响，溢洪道出口主流靠近左侧，致使右侧出坎水流向左侧集中。

4.4.2冲刷试验

30年一遇防冲流量情况下，冲砂历时4h，冲坑内均已无冲料冲出，冲坑形态稳定：溢洪道冲坑距挑流鼻坎60m，近似呈椭圆形，最大纵长20m，最大横宽12m，冲坑最深处4.0m。下游冲坑型态均明显小于试验前计算分析的结果。根据冲刷试验推知：本次冲坑所选冲料，其采用的抗冲流速适中，挑流鼻坎下游实际冲坑深度基本满足要求。

4.5 模型试验结论

(1)溢洪道(闸门半开)泄放设计流量Q溢=175.97m3/s时，水库水位模型实测值略大于理论计算值(0.267m)，但溢洪道(闸门全开)泄放校核流量Q溢=330.68m3/s时，水库水位模型实测值小于理论计算值0.248m，表明溢洪道的泄流能力基本满足设计要求。

(2)从收缩段始端开始，直至抛物线段，陡槽内均产生较为明显的冲击波。但由于溢洪道长度较短，加之陡槽纵坡较大，收缩段所产生的冲击波对下游水流的流态未造成太大影响。

(3)溢洪道抛物线段至反弧段，空穴数已较低，应采取气蚀控制措施。

(4)消能防冲设计流量下，溢洪道经挑流鼻坎下泄的水流均可顺利归入下游河道，且未发现泄流互相干扰。

5 结语

根据模型试验结论，在后续的设计中对溢洪道局部部位进行了优化，增设了气蚀控制措施，增加了溢流面的抗冲耐磨性，对出口挑流鼻坎进行了体型优化。目前本工程已运行3年多，工况良好，类似工程具有很好的借鉴意义。