第５Ｏ卷第１ｌ期 甘肃水利水电技术 Ｖｏ１．５０．Ｎｏ．１ １ ２０１４年ｌ１月 ＧＡＮＳＵ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ ＮＯＶ．。２０１４ ・设计与研究・ 某工程重力坝溢流面设计与模型试验 周晓明 （长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉４３００１０） 摘要：某水库混凝土重力坝最大坝高９１．４ ｍ，通过表孔水工模型试验，分析比较了光滑式溢流面和台阶式溢流面的 泄水情况，验证了采用台阶式溢流面和挑流鼻坎联合消能的可行性和合理性，取得了良好的效果。 关键词：重力坝；台阶式溢流面；模型试验 中图分类号：ＴＶ６５２．１＋１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：２０９５—０１４４（２０１４）１ １－００３５—０４ １ 工程概况 某水库工程位于我国西部地区，是一座以城市 曲线方程为了襄 ＋ ＝１．０，堰顶下游堰面 供水为主要任务的水源工程。大坝为碾压混凝土重 曲线采用ＷＥＳ幂曲线，曲线方程为 ，８５＝２￣４．９ｏ￣８５ｙ 力坝，大坝坝顶高程１ ０９９．８ ｍ，最大坝高９１．４ ｍ。水 ＷＥＳ实用堰面下游直线溢流面起始桩号为ＳＯ＋ 库正常蓄水位１ ０９２．７ ｍ．总库容ｌ ７９０万ｍ 。坝身 ００７．１３，高程为１ ０８７．８ｍ：末端桩号为 ＳＯ＋００８．６５． 布置溢流坝段，设３孑Ｌ单宽１３ ｍ的无闸控制表孑Ｌ溢 高程为１ ０８６．１ ｍ。实用堰下游直线溢流面的坡比为 流堰．堰顶高程ｌ ０９２．７ ＩＴＩ。在溢流表孔右侧岸边布 １：Ｏ．８９，形成一个高为１．３ ｍ的小挑坎，使流出宽尾 置５．０ ｒｅｘ３．５ ｍ短有压泄洪冲沙孔。 墩的水舌底部充分掺气，减免水流对台阶溢流面产 ２设计标准与泄流能力 生冲蚀破坏 水库大坝的设计洪水标准为５０年一遇，校核洪 表孔台阶溢流面起始桩号为Ｓ０＋００８．６５，高程 水标准为５００年一遇，泄水建筑物消能防冲洪水标 为１ ０８６．１ Ｉｎ；末端桩号为Ｓ０＋０４１．６５，在高差４４．３ ｍ 准为３Ｏ年一遇。相应的泄流能力及水位关系见表ｌ 之间，共设置了４４级台阶。其中第一级台阶高１．３ 所列。表孑Ｌ在设计水位１ ０９６．３８ ｍ时，堰顶设计单宽 ｍ，宽０．７５ ｍ；余下各级台阶均为高１．０ ＩＴＩ，宽０．７５ 流量为１２．５ ｍ３／（ｓ・ｍ）：在校核洪水位ｌ ０９８．５２ ｍ ｍ。台阶末端与挑流鼻坎反弧段上游１：０．７５的直线 时，堰顶校核单宽流量为２６．４ ｍ３／（ｓ・１ＴＩ）。 溢流面相接。为减小泄流对下游两岸山体的冲刷， 溢流面两侧边墙自高程ｌ ０８２．８ ｍ以下开始向内收 表１ 泄水建筑物设计标准、泄流能力及水位关系 缩，其中，左边墙收缩８．３ ｍ，右边墙收缩７．３ １ＴＩ。 溢流面下接差动式挑流鼻坎消能，鼻坎形式为： 横河向长１１．８ ＩＴＩ范围为平直段，高程为１ ０３６．０ ｍ：左侧横河向长８．０ ｍ和右侧横河向长９．０ ｍ范围 为挑流段，鼻坎顶高程１ ０３８．０ ｍ，反弧半径１１．０ ｍ 挑射角３５．２６。。挑流段接以１：１的反坡，末端桩号为 Ｓ０＋０６０．８。 ４表孔溢流面的选择与模型试验 为了消除溢流堰下泄水流能量．工程一般采用 ３表孔溢流面设计 光滑式溢流面进行挑流消能或在下游修建消力池进 表孔溢流堰面曲线起点桩号为ＳＯ一００１．４２１。高 行水跃消能。近２０多年来，随着碾压混凝土施工新 程为１ ０９１．８８２ ｍ。堰面曲线定型设计水头 与堰 技术的出现和应用，台阶式溢流面以其优于光滑式 顶最大作用水头日一的比值为８５％，堰面曲线定型 溢流面的消能率已受到广泛关注ｌ ｌ。目前，世界上 设计水头 为４．９ ＩＴＩ。堰顶上游堰头采用椭圆曲线， 已经有几十座水库采用了台阶式消能设施。 收稿日期：２０１４—１１－２４ 作者简介：周晓明（１９８１一），男，湖北黄梅人，工程师，硕士研究生，主要从事水利水电工程结构设计，Ｅ—ｍａｉｌ：１２０３８１６９９＠ｑｑ．ｃｏｍ ・ ３５ ・ ２０１４年第１ｌ期 甘肃水利水电技术 第５Ｏ卷 本水库工程可行性研究阶段溢流坝段采用“光 布置。为进一步验证设计的合理性及选择最优的设 滑式溢流面＋挑流鼻坎”的消能布置型式。在初步设 计阶段，考虑到坝址为“Ｕ”形峡谷。大坝下游河床仅 宽３０～４０ ｍ，两岸防冲能力较差，在可研结果基础 上．提出“台阶式溢流面＋差动式挑流鼻坎”的消能 计方案，对坝体溢流面进行了水工模型试验研究。通 过１：７０水工整体模型．研究了光滑式溢流面和台阶 式溢流面的泄流能力、过流流态及水面线、溢流面压 力特性、挑舌形态及下游消能防冲效果。 图１ 光滑式溢流面＋挑流鼻坎消能布置 图２ 台阶式溢流面＋差动式挑流鼻坎消能布置 ・３６・ 第１１期 周晓明：某工程重力坝溢流面设计与模型试验 第５０卷 ４．１泄流能力 对光滑式溢流面和台阶式溢流面的水工模型进 溢流面在泄槽面水流平顺、水深逐渐变浅、坝面流速 逐渐增大，水流经反弧段后形成挑射水流挑离坝面 台阶式溢流面均能形成滑移流态，坝面掺气充分 在设计流量条件下，自第１０级台阶起水流中出线无 行观测，两种方案泄流能力相同。泄流能力的设计 值与试验观测值见表２。经验证，溢流坝面在设计水 位和校核水位的实际流量系数分别为０．４１４和 数漩滚气泡，紊流边界层发展至表面，水流表面开始 发生自掺气，台阶上形成表面由掺气水流、底部由稳 定含气漩滚的流态；在校核流量条件下，自第２０级 台阶起全断面水流发生掺气。试验中还观测到，台 ０．４３５，泄流量较设计值分别偏小４．３％和５．３％。 表２表孔泄流能力设计值与试验观测值对比 阶溢流坝水流表面自掺气的起始位置随流量减小而 上移。在设计流量和校核流量情况下．光滑式溢流 面和台阶式溢流面坝面水深及断面平均流速见表 ３。坝面的消能效果通过坝面消能率来衡量．经计算 ４．２过流流态及水面线 光滑式溢流面消能率约为１５％：台阶式溢流面的坝 经试验观测，台阶式溢流面和光滑式溢流面在 面最大流速由光滑式溢流面的３１ ｍ／ｓ降低至２１ ｍ／ｓ． 表孑Ｌ进口、堰顶及宽尾墩的流态是相同的。光滑式 台阶式溢流面消能率达到了６５％ 表３光滑式溢流面和台阶式溢流面坝面水深及断面平均流速对比 ４．３溢流面压力 为淤积区，淤积最高高程为１ ０３３ ｍ。台阶式溢流面 在光滑式溢流面和台阶式溢流面布设压力测 由于消能率较大，鼻坎水舌挑距大大缩短．在校核流 点，前者布设了２ｌ组测点，后者布设了２Ｏ组测点， 量条件下，水舌外缘距鼻坎约５６ ｍ，比光滑式溢流 分别设在堰顶ＷＥＳ堰面、泄槽段（台阶段）和反弧段 面方案挑距缩短近４０％；下游河床冲刷最低高程为 上。在设计流量和校核流量情况下，光滑式溢流面 １ ０１８ ＩＴＩ，河床冲刷范围在护坦后１０～４０ ｍ区域．淤 和台阶式溢流面上的压力分布见表４所列。由表４ 积最高高程为１ Ｏ３１ ｍ。 可见．在设计洪水条件下，光滑式溢流面最大负压 ５结语 为一０．３５￣９．８１ ｋＰａ，台阶式溢流面最大负压为一０．５１× 通过对大坝溢流表孔水工模型试验研究表明， ９．８１ ｋＰａ：在校核洪水条件下，光滑式溢流面最大负 设计采用宽尾墩、台阶式溢流面加挑流联合消能是 压为一０．２８￣９．８１ ｋＰａ．台阶式溢流面最大负压为一 合理可行的。 ０．２２ｘ９．８１ ｋＰａ。溢流面压力为负压的测点均发生在 当采用光滑式溢流面方案时，泄槽段尾部坝面 靠近泄槽末端附近。 流速超过３０ｍ／ｓ，局部范围出现较大负压，水流空化 ４．４挑舌形态及下游河床冲刷 数较小，须增设掺气设施；通过在１ ０６０ ｒｎ高程处增 光滑式溢流面水舌挑距较远。在校核流量条件 加一级掺气坎后，可形成稳定的掺气通道，保护下游 下，水舌外缘距鼻坎８５ ｍ，下游河床冲刷最低高程 坝面免遭空蚀破坏。当采用台阶式溢流面方案时， ｌ ０１３ ｍ．护坦后３０—１００ １ＴＩ范围内均为冲刷区，其后 溢流面均能形成典型滑移流态．坝面压力特性良好： ・ ３７ ・ ２０１４年第１１期 甘肃水利水电技术 第５０卷 表４光滑式溢流面和台阶式溢流面 增设掺气设施后压力分布 第２０级台阶后的坝面由于水流表面自掺气已发展 到底部，其后的坝面不会发生空蚀破坏：在校核流量 条件下．前２Ｏ级台阶的底部水流掺气较小，有发生 空蚀的风险．在台阶起始坝面增设底部强制掺气设 施，可使台阶溢流面全程免遭空蚀破坏。 台阶式溢流面方案的坝面消能率交光滑式溢流 面方案提高５０％以上．减轻了对下游河床的冲刷破 坏，冲刷范围明显减小，冲刷深度亦有所减轻。 参考文献： ［１］陈群，戴光清，刘浩吾．阶梯式溢流坝研究综述［Ｊ］．水利水 电科技进展，２００２，２２（１）：４７—５０． ［２］汤升才，金峰，石教豪．台阶式溢流坝试验研究与消能率计 算［Ｊ］．人民长江，２００８，３９（１２）：４３—４５． ［３］刘金辉，奚晶莹．台阶式溢流坝的消能设计与试验［Ｊ Ｊ．吉 林水利，２００９，２９（８）：２８—３３． ［４］雷兴顺，张勇，欧阳淞，等．大朝山水电站碾压混凝土重力坝 台阶式溢流面设计［Ｊ］．水利水电技术，２００５，３６（７）：６０—６３． ［５］易晓华，卢红．台阶式溢洪道及其在索风营水电站的试验 研究［Ｊ］．贵州水力发电，２００３，１７（２）：７０—７２． ［６］吴宪生．台阶溢流坝的应用评述［Ｊ］．四川Ｉ水力发电， ２００５．２４（１）：２２—２６． 护 驴 护护 驴驴驴 、ｃ２ （上接第３页）研究［Ｃ］１１７ｋ动力学研究与进展（Ａ辑）．重 庆：重庆大学，２００３：２６１—２６５． ［７］廖文根，李景秀，彭静．水体纳污能力量化探讨［Ｊｊ．中国 水利水电科学研究院学报，２００３。１２（３）：２１１－２１５． ［５］曾光明，蒋益民，袁中兴，等．平原二维复杂河流水质模拟 计算［Ｊ］．环境科学学报，２０００，２０（５）：６０３－６０７ ［８］廖文根．水环境承载能力及评价体系探讨［Ｃ］．／／ＴＪ＜资源承 载能力研讨会．北京：中国水利水电科学研究院，２００２． ［６］吴修广，沈永明，王敏，等．曲线坐标下平面二维污染物扩散输 移的代数应力湍流模型【Ｊ］．中国工程科学，２００５Ｊ（７）：６ｏ一６４ 驴驴护驴 痧痧、驴 ［９］韩喜龙，朱党生，姚琪．宽浅型河道纳污能力计算方法 ［Ｊ］．河海大学学报，２００１，２９（４）：７２—７５． （上接第３４页） 表５堤防抗滑稳定计算结果 本项目的输水管道需要穿堤。输水管道的施工 干问题探讨［Ｊｊ．中国水利，２０１３，４８（６）：４０—４２． 采取破堤方式施工．具体施工方案需征得堤防管理 部门的同意，任何时候均不得危及堤防安全。 参考文献： ［１］李广阔，任玲．河道管理范围内建设项目防洪评价审查要 点分析［Ｊ］．人民珠江，２００７，２８（６）：８３—８４． ［４］谢鉴衡．河床演变及整治［Ｍ］．北京：中国水利水电出版 社．１９９７． ［５］万育安．华电江门蓬江江沙分布式能源站取水工程防洪 评价报告［Ｒ］．江门：江门市水利水电勘测设计院有限公 司。２０１４． ［２］罗少彤．河道管理范围内建设项目防洪评价报告的编制 ［Ｊ］．广东水利水电，２００７，３５（６）：３６—３７． ［３］钟鸣辉．河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制若 ３８ ・ ［６］王船海李光炽．实用河网水流计算［Ｍ］南京：；￣人民珠江，２０１３，３４（５）：ｌ６—１９． －，２ｏｏ４． ［７］刘俊勇．涉水码头工程防洪补救措施典型案例分析［ＪＩ． ・
