【摘 要】沙河水库主坝泄洪闸上下游水位落差高达18m，闸下溢洪道水力衔接设计中，综合考虑水力衔接、消能防冲和结构衔接的设计需要，采用多级跌水与挖深式消力池相结合的复合结构取代单纯的跌水或陡坡结构，既避免了高速水流沿程冲刷和气蚀问题，又较好地解决了高水头溢洪道的水力衔接及消能问题，该结构的水力设计经水力模型试验验证，最不利工况设计消能效率达到80％以上。设计将“水跌消能”和“水跃消能”两种成熟的工程技术进行组合和优化，使水力衔接结构设计得到进一步的改进，成功地解决了高落差泄洪闸闸下水力衔接的设计难题。
　　【关键词】沙河水库；泄洪闸；溢洪道；高水头；水力衔接；消能防冲；模型试验
　　Convergence of high-head hydraulic design of the sluice——Shahe Reservoir main dam sluice water interface design profile
　　Gao Xing-he
　　(Jiangsu province Tai lake water conservancy programming design institute for research limited company Suzhou Jiangsu 215128)
　　【Abstract】Shahe Reservoir main dam sluice upstream and downstream water level drop of up to 18m, under the spillway gates water interface design, considering the convergence of water, energy dissipation and erosion and structural convergence of design needs, the use of multi-level or type of water and deepened with the stilling basin replaced with a simple composite structure of water or steep slopes or structure, both to avoid the high-speed flow and cavitation erosion problems along the way, but also solved the convergence of high-head spillway and energy dissipation of the hydraulic problem, the hydraulic design of the structure by the hydraulic model experimental verification, the most adverse design conditions the energy dissipation efficiency of 80% or more. Will be designed to "water or energy dissipation" and "hydraulic jump energy dissipation" two sophisticated engineering technology portfolio and optimize the hydraulic design of convergence has been further improved, successfully resolved the sluice gate under high hydraulic drop interface design problems.
　　【Key words】Shahe Reservoir;Sluice;Spillway;High head;Water interface;Dissipation and erosion;Model test
　　1. 引言
　　“沙河水库”又名“天目湖”，位于江苏省溧阳市天目湖镇境内，担负着太湖流域湖西南部南河水系上游的截流和调蓄任务，是太湖流域七座大型水库中的一座，水库集水面积148.5Km2，总库容1.09亿m3，现已发展成为具有防洪、供水、灌溉、结合渔业、旅游服务业以及发电等综合性多功能大⑵型水库。根据水库安全鉴定和除险加固设计的要求，主坝泄洪闸及其闸下溢洪道必须拆除重建。
　　2. 老溢洪道存在问题简析
　　老闸位于主坝坝端、依山而建，闸身下游以弯曲的水平段穿过主坝，坝后顺山坡以陡坡溢洪道与坝下泄洪河衔接。水流出闸后，经弯道段直接进入陡坡段，出闸下泄水流呈折冲型流态；下游溢洪道原设计为陡槽，后来加固时，对陡槽又进行了加糙处理，陡槽内增设了多道肋形凸起的消力槛，使得溢洪道既非陡坡，亦非跌水，水力条件变得更加复杂，且泄流水面线抬高，当老闸泄洪达到一定流量时，闸后弯道段内水流折冲翻腾，进入陡槽溢洪道后再遇到消力槛，便出现水流翻腾外溢现象。在水流折冲冲刷作用和高速水流产生的负压作用下，闸下右侧弯道和左侧陡槽入口处，常常产生淘刷和气蚀破坏，每次泄洪后都要进行补强加固处理。实践证明，老闸下游水力衔接不合理是拆建的主要原因之一。新建泄洪闸及其溢洪道设计将重点解决该闸高水头条件下的水力衔接以及闸下消能防冲的问题。
　　3. 主要设计参数
　　（1）主要高程及落差：闸底板顶面17.5m，闸下河底3～3.5m，建筑物水力衔接最大落差14.5m；
　　（2）水位及水头：水库设计洪水位23.00m，校核洪水位24.42m；闸下行洪水位6.5m；泄洪最大水头达17.92m（大于15m为高水头）；
　　（3）闸孔总净宽3×2.5m=7.5m；
　　（4）最大泄洪流量：205m3/s；
　　4. 设计需要解决并兼顾的主要问题
　　本工程设计需要兼顾和解决以下几个主要问题。
　　（1）水库泄洪时，闸上水位较高，泄洪闸底板高于闸下泄洪河河底14.5m，且消能最大水头近18m，水力衔接的落差较大，泄洪闸泄洪时闸下消能、防冲问题尤为突出，同时，还要妥善解决高速水流对砼结构的气蚀和对下游造成冲刷的问题；
　　（2）溢洪道与主坝夹角为71°，其平面布置上必须设置弯道连接段，水力衔接设计中，应结合结构措施，解决水流偏流、折冲问题；
　　（3）溢洪道总体布置受周边地形条件的限制，几乎没有优化或改进的条件，设计可调整和回旋余地小，在侧重解决消能防冲等水力衔接问题的同时，还要兼顾工程结构衔接条件，合理优化工程结构。
　　5. 水力衔接设计方案和总体思路
　　适合本工程高落差的水力衔接型式有陡坡和跌水两种型式，其中，陡坡衔接存在水流下泄流速大，槽面易气蚀和末端消能防冲要求高等问题，本工程下游为土质河床，且两岸房屋建筑密布，陡坡后不具备挑流消能或设置挖深式消力池的设计条件，因而不采用。
　　根据设计比选研究成果，多级跌水在本工程较为适宜，跌水型式一般为台阶式，通过水位逐级跌落作用，实现上、下级之间的水力衔接并达到初步消能的目的。但由于水位落差较大，仅靠“水跌”的消能作用，消能效果仍不够理想。
　　针对本工程现状条件，综合考虑设计必须兼顾和解决的问题，以多级连续的台阶式跌水为设计基本模型，利用“水跌”和“水跃”两种水力消能原理，将多级跌水结构与挖深式消力池结构相互融合，形成“水跌消能”与“水跃消能”互相叠加的复合式溢洪道水力设计模型，该设计模型中，泄洪水流首先通过垂直跌槛的跌落作用跌入消力池，再在挖深式消力池内形成完整的水跃进一步消能，跃后水流出池后，再逐级跌落并逐级消能；工程设计中，充分利用和发挥跌水的水力衔接作用、初步消能作用和挖深式消力池进一步的消能作用，并联合工程结构构造措施，最大限度地提高溢洪道消能效率。
　　6. 水力衔接设计简介
　　溢洪道水力衔接设计中，一方面按照多级跌水要求进行计算，对跌水进行合理分级；另一方面，为达到充分消能的目的，对按照跌水计算确定的分级尺寸，再利用水跃消能原理按照挖深式消力池要求进行消能复核和校正，确保每级消力池在各种泄洪工况下都能形成完整水跃，充分消能。其设计步骤和计算方法如下：
　　6.1 多级跌水水力设计。
　　先根据溢洪道所处地形的坡度，按照多级连续跌水进行分级设计，大致确定各级跌水的跌差和跌长，为跌水试算需要的边界条件提供初步成果。跌水试算按照《水力计算手册》（李炜主编）中单级跌水公式计算：
　　水舌长度：
　　 ld =4.30D0.27P (1)
　　水舌后水深：
　　hp=D0.22P (2)
　　收缩水深：
　　 hc=0.54D0.425P (3)
　　跃后水深：
　　h"c=1.66D0.27P (4)
　　水跃长度：
　　 lj = 1.9h"c - hc (5)
　　池深：
　　s= h"-ht (6)
　　池长：
　　 ls=ld+ 0.8 lj (7)
　　式中： D= q2gp3 (8)
　　q——单宽流量，m3/s/m；
　　P——跌差，m；
　　ht——下游河道水深，m；
　　试算时，从末节跌水开始计算，并逐级向上梯推渐近，首节跌水的水力要素按照平底宽顶堰自由岀流进行计算并衔接，经过反复试算，直至上下游水力计算条件闭合，获得跌水计算的中间成果，该成果还需要经过下一步的消力池试算复核和校正，当消力池计算也获得比较满意的成果时，计算结束。
　　经反复试算，最终选取泄槽宽度12m；跌水共分为6级，级长16.5m，总跌差14.5m，单级跌差2.5m左右，槛上计算水深2.3~2.5m。
　　6.2 消力池水力设计。
　　以上跌水设计的初步成果中，尚有两个方面的水力衔接设计需作进一步优化。
　　6.2.1 第一级跌水实际水面落差为泄洪水位与闸底板之间的高差，尽管其跌差仅为2.5m，但实际单级水面最大落差为6.92m，远大于第二级及其以后的各级跌水的跌差，则第一跌总能量相对较大，消能要求更高。若第一跌消能不彻底，将直接影响第二级及其以后各级乃至整个工程的消能效果。这是泄洪闸与闸下溢洪道水力衔接设计的关键所在。
　　6.2.2 由于水跌之后形成的水跃均发生在跌水平台的水平段，水流自上向下逐级梯推，跌水末端为自由岀流，由于缺少了消力槛的强迫作用和池内水深的水垫作用，跌水平台上水跃形态不稳定，消能效果不可靠。根据水力学能量守恒原理可知，跌水逐级跌落时，水位落差形成的“能量”在“水跌”作用中消耗掉一部分，在跌水平台上形成“水跃”时，再消耗掉一部分，剩余能量将逐级累加，最终转化为水流动能，具体反映为水流流速不断增大，水流冲刷能力不断加强，将对下游河床产生较强的冲刷作用，不但增加了下游衔接工程量，也增加了下游衔接难度。
　　6.2.3 根据以上分析，单纯跌水结构的消能效果并不十分理想。为进一步提高溢洪道消能效率，改善其水力衔接设计效果，应在“水跌消能”的基础上，叠加可靠而有效的“水跃消能”的作用。事实上，跌水平台具备优化改进的条件，只要将跌水平台挖深，形成挖深式消力池，通过消力槛的强迫作用和池内蓄水的水垫作用，池内将形成更为完整、可靠的强迫水跃。工程设计中，类似于多级消力池的设计，利用跌水计算的初步成果，在逐级进行消能复核的基础上，试算确定各级消力池深度，并重点校正第一跌池长和池深，确保各级消力池在各种工况条件下，均能形成完整的水跃。
　　图1 泄洪闸及闸下溢洪道纵剖视图
　　6.2.4 由于跌水紧接消力池，消能计算的边界条件较为复杂，计算中先按照多级跌水的槛高计算公式求解各级消力槛高，然后，再按多级消力池进行复核和校正。
　　⑴消力槛高计算公式：
　　 c=1.05h"c -Hl (10)
　　 Hl=H10-q22gh"2c(11)
　　 H10=qm2g(12)
　　式中：m ——流量系数，按矩形实用堰取0.42。
　　⑵消能复核采用SL253－2000《溢洪道设计规范》附录A.5.3等宽矩形断面的下挖式消力池计算公式：
　　消力池深度d ：
　　 d=σh2 -ht-ΔZ (13)
　　跃后水深 h2：
　　 h2=hl2(1+8Frl2-1) (14)
　　Frl =vlghl(15)
　　出池落差 ΔZ ：
　　 ΔZ =Q22qb212ht2-1σ2h22(16)
　　水跃长度L ：
　　 L=6.9(h2-h1) (17)
　　消力池长度LK ：
　　 LK=0.8L (18)
　　式中：
　　 Frl——收缩断面弗劳德数；
　　hl ——收缩断面水深，m；
　　vl ——收缩断面流速，m/s；
　　Q ——过闸流量，m3/s；
　　 ht——出口下游水深，m；
　　σ——水跃淹没系数，取1.05；
　　 ——流速系数，取0.95。
　　6.2.5 根据水跃消能原理，只有形成较为完整的水跃，才能达到充分消能的目的，在消力池复核校正过程中，尽量控制池长和池深尺寸，不但要保证各工况水跃完整，而且还要使池内水跃完成后留有适当的跃后长度。
　　经复核并校正，跌水平台挖深后，第一跌跌差3m，跌长加长为20.5m，消力池池深加深为1.7m，第二~六跌跌差3.7m，跌长16.5m，消力池池深1.3m，在各种流量工况条件下，各节消力池长度均满足“形成完整水跃并有富余”的要求。最后一节跌水之后，为进一步消除水流余能，镇定入河流态，增设一节扩散式构造消力池与下游泄洪河衔接，池深1.2m，消力池长20m。
　　6.3 泄槽墙顶高程计算。
　　考虑水流掺气，计算确定溢洪道水面线，并根据规范对溢洪道的安全超高要求，计算确定泄槽墙顶高程。水流掺气水深采用SL253-2000《溢洪道设计规范》附录A.3.2公式计算：
　　 hb=(1+ξv100) h (19)
　　式中： h、hb——泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m；
　　ν——不掺气的断面流速，m/s；
　　ξ——修正系数，取1.0～1.4s/m。
　　溢洪道安全超高取1.5m，墙顶按照直线斜降计算，各级跌水末端槛上最大墙高应控制不小于4.85m。设计根据地势条件确定为5.1m。
　　7. 结构设计概况
　　根据以上水力衔接设计计算成果，兼顾平面布置和结构衔接条件，对溢洪道结构进行了进一步的优化，最终确定了泄洪闸及其溢洪道结构设计方案如下。（详见图1）
　　主坝泄洪闸从上游向下游分为：上游衔接段、闸室段、闸后导顺段、扩散段、六级跌水段、下游衔接段等六个区段，上下游总长约260m。
　　闸首采用设置胸墙的三孔整体箱形结构，堰流型式为平底宽顶堰；闸下溢洪道包括：闸后导顺段、扩散连接段、跌水消能段等三个区段，为满足闸后弯曲段水力衔接需要，闸后导顺段设隔水导流墩，顶部满足交通和场地衔接需要，导顺段结构设计为三孔整体箱涵结构；扩散段为开敞式整体U型结构，扩散段紧接导顺段下游，两侧对称扩散，横向宽度由10.1m渐变至12.0m；跌水消能段由六级跌水分别衔接六级挖深式消力池组成，横断面为开敞式整体U型结构，与上下游跌槛围成空间立体槽形结构，消力池长度第一级加长为20.5m、第二～六级均为16.5m，消力池池深（跌水末端消力槛高度）首节为1.7m，其余为1.3m，各级跌水的最大落差首级为3m，其余均为3.7m，两岸墙顶高程由23.5m渐变至10.3m，槛上最小墙高5.1m，考虑泄洪水流雾化的因素，墙顶设1m高挡浪墙。
　　8. 水力模型试验成果简介
　　以上设计成果中，水力设计的成果最终通过结构设计与优化得以体现，虽然从理论上解决了设计需要解决的几个问题，但其设计效果——水力衔接以及消能防冲效果——不得而知，为了验证设计效果及其合理性，由扬州大学建筑科学与工程学院的水力模型试验研究中心进行了实体水力模型试验。
　　8.1 模型制作及试验。
　　为保证水流各种水力现象与实物都保持相似，采用正态模型，模型按重力相似准则设计，模型比例为1：20；根据糙率相似原理，溢洪道槽身试验材料采用便于观测的有机玻璃配以钢支架制作。模型为立体架空结构，可直观地观测跌水流态、水跃形态、各级水力衔接、流速以及水面线等泄洪情况。
　　按照100年~2000年一遇洪水过程，闸上水位自21.0m～24.42m，泄洪流量30～219.5m3/s进行模拟泄洪试验，通过各种量测手段，分类采集试验获得的各种参数，并通过对比试验，在进一步整理、综合、分析的基础上，总结并获得试验结论。
　　8.2 试验主要结论。
　　（1）沙河水库主坝泄洪闸闸下溢洪道水力衔接及消能工设计合理，满足溢洪道消能防冲的设计要求。
　　（2）过流能力满足设计要求，实测最大泄洪流量219.5m3/s。
　　（3）水力衔接设计中，闸后先以弯道导顺段连接，导顺段内通过增设隔水导流墩，水流偏流问题得到较大改善，水流流经导顺段后顺圆弧切线方向进入直线扩散段，水流进一步调顺和扩散后再与跌水消力池衔接，进入跌水消力池的水流流态平稳顺直，水力衔接顺畅，工程总体布置满足闸后水力衔接设计要求。
　　（4）消能防冲效果：消能总效率设计工况达到87%，校核工况达到80%以上；经试验验证，消能防冲设计效果良好。
　　（5）闸下溢洪道水面线均低于设计岸墙墙顶线，实测最小值为1.8m，墙顶设计高程满足溢洪道设计要求，但泄流时有少量水花溅出。
　　（6）泄槽负压区主要分布于每级跌水槛顶和入口的垂直跌落部位。
　　8.3 试验建议并落实的改进措施。
　　（1）在首尾消力池内增设了两排交错排列的消力墩，辅助消能；
　　（2）为防止空化气蚀破坏，每跌消力槛后及跌水入口的槛顶设置了通大气的设施(预埋通气管)；
　　（3）为防水花外溅，泄槽墙顶原设计栏杆改为防浪墙。
　　9. 结语
　　沙河水库（天目湖）主坝泄洪闸及其溢洪道设计中，综合考虑水力衔接、消能防冲和结构衔接设计的需要，将“水跌”和“水跃”两种成熟的工程技术进行组合和优化，采用多级跌水与连续挖深式消力池间隔衔接所形成的复合结构，形成“水跌消能”与“水跃消能”互相叠加的复合式溢洪道水力设计模型，取代单纯的跌水或陡坡结构，既避免了高速水流沿程冲刷和气蚀的问题，又较好地解决了高水头溢洪道的水力衔接及消能防冲等问题，使大落差泄洪闸的水力衔接和结构设计得到进一步的改进。该项目的设计经试验验证，溢洪道水力衔接顺畅，消能效果良好；目前，本工程已建成并通过水下验收，水库蓄水后，通过泄洪闸的现场模拟放水试验，进一步验证了工程设计的合理性。
　　
　　［文章编号］1006-7619（2011）11-02-1004
　　［作者简介］ 高兴和（1968.2-），男，籍贯：江苏省苏州市人，学历：本科，职称：水利水电注册土木工程师、水工设计高级工程师，工作单位：江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司（苏州），主要从事水工设计工作。