第1章 绪论
1.1 汤河水库概况及研究意义
1.1.1 汤河水库概况
汤河水库位于辽宁省辽阳市汤河干流上，兴建于20世纪60年代，是一座以防洪、工业及城市生活供水为主，兼顾灌溉、发电、养鱼等综合利用的大（2）型水利枢纽工程，主要枢纽建筑物由土坝、溢洪道、输水道、电站组成。它与观音阁水库、参窝水库联合调度运用，已基本解除了太子河水患问题。
汤河水库溢洪道设有净宽为11m的两孔弧形闸门，堰后至0+060已进行了护砌。其后是泄槽，分三段即陡槽段、弯道段、扩散段，均为天然山体河道，末端是尾水渠为天然河道。1989年对泄槽左岸0+264.86～0+374.50进行了混凝土护砌处理，以保证上坝公路的安全，尾渠其余部分均未做衬砌。2002年，尾水渠左岸0+374.50以下680m修建了混凝土挡土墙，由于资金短缺原因，右岸边坡河道清理整治没有进行。
汤河水库经过30多年的运行，水库主体工程状况良好。而溢洪道泄槽及以下段先天不足，始终未得到彻底处理，在几次泄洪以后，在泄槽底部靠右岸0+060～0+364.50段，出现了一条深1.5m左右的冲沟，尾渠中交通桥前已出现10m多深的冲刷坑。若不进行加固处理，出现较大泄流时可能会引起山岩滑坡，进而阻塞溢洪道，造成泄流不畅；严重者可能会引起坝毁人亡的严重后果。2005年汤河水库设计课题组对溢洪道设计进行了方案比选，确定溢洪道续建工程设计计方案按照100年一遇洪水设计、1000年一遇洪水校核，其消能防冲建筑物按50年一遇洪水设计。50年一遇洪水水位为110.26m，相应泄量为1171m3/s；100年一遇洪水水位为111.46m，对应溢洪道下泄流量为1304m3/s，1000年一遇洪水水位为112.76m，对应溢洪道下泄流量为1771m3/s。
溢洪道引水渠为原有工程，渠底高程为98.8m，平直段为10m，引水渠弯道段半径R=133m，整体成一个喇叭口形，溢流堰边墩延伸到上游构成导水墙，采用混凝土板护面。
溢洪道控制段也为原有工程，起止桩号为0-050～0-029，设有净宽为11m的两孔闸门，采用三圆弧 WES堰，堰顶高程为101.30m，安装两扇高10.1m的弧形闸门。堰后渠底高程为98.8m，宽度为25.5m；堰后接10m长的混凝土平直段；后接19m长矩形断面段，23m长的扭曲段 （Y=0.0207x2）；扭曲段后接37m 长的梯形段，起止桩号0+023～0+060，槽底坡度均为0.02，边坡1∶1，宽度为25.5m。
溢洪道续建工程设计段为桩号0+060～0+478处，整个泄槽底坡均为0.09。
桩号0+060～0+083处，此段为23m扭曲段，底板宽度为25.5m。
桩号0+083～0+170.0处为陡槽段，此段长为87m，底宽为25.5m，坡度为0.09，桩号0+170.0～0+288.0处为弯道段，此段长为118m，弯道段半径为210m，圆弧的中心角为32°。
桩号0+288.0～0+348.0处为60m长的陡槽段，底宽为25.5m。
桩号0+348.0～0+368.0为扩散段：此段长为20m，扩散角为26.6°，坡度为1∶4，末端宽度为40m。
桩号0+368.0～0+428.0处为消能段，消力池40m宽60m长，消力池尾端设尾坎。
桩号0+428.0～0+478.0为海漫段，前10m坡度为0，高程为71.6m，为0.3m厚混凝土板护底，后40m坡度为0.1，0.5m厚的干砌石护底。
桩号0+493.0～0+853.5布置尾水渠，采用直角梯形断面，混凝土板护坡，因左岸已有工程防护，所以本次设计仅护右岸，边坡坡度为1∶1，最终渠底宽为74m。
1.1.2 研究意义
在当今水工水力学研究领域里，很多水利工程水流问题都必须通过实体模型实验来研究，实体模型实验的应用有其自身的一些优点，比如能直观生动地模拟流场、流态情况等。而实验室受限于经费及仿真真实环境下的尺寸仍有困难。由于弯道水流运动本身的复杂性，涉及物理量多、边界条件复杂，受试验条件和观测手段的限制，仅通过实体物理模型，而认识弯曲溢洪道水流规律还存在一定困难。此外，要解决大范围、长期的问题，采用实体物理模型的方法耗资大，时间长，重复操作的可能性小，从而导致综合效率明显下降。
天然河流几乎都是弯曲的，弯道水流的研究对河道的治理、护岸工程和渠道的设计等均具有重要意义，纵向水深平均流速及水面的变化则是弯道水流研究中的一个重要问题。长期以来，物理模型试验一直是解决工程问题的主要方法之一。近20年来，随着计算机技术的飞速发展，许多学者开始用计算机对弯道水流的运动进行数值模拟。数值模拟及相应软硬件条件有了很大的发展。采用应用软件模拟其运动规律的可能性日益增大，它具有省时、省钱，可直接按照原型尺寸、参数进行计算，在短时间内模拟长时间的运动规律的优点，可以明显节省开支，缩短时间，并且能够解决一些实体模型难于观测的问题，在研究和解决大量生产实际问题中发挥着越来越重要的作用。
弯曲溢洪道挑流消能研究属于水工水力学领域。各种泄水建筑物消能研究一直是该领域的研究热点。由于地形、地质条件限制，泄槽不得不设有弯段。弯道溢洪道水流由于易产生折冲水流，其水力特性较一般溢洪道更为特殊。弯段急流流态复杂，连续转折的边墙，不仅因受离心力作用导致断面外侧水深加大，内侧水深减小，而且因边墙迫使水流转向，产生冲击波，从而无论沿纵向还是横向都有水深的剧烈起伏。因此，带弯道的陡槽溢洪道的消能优化问题就显得更具有工程应用与理论研究价值。
水利工程中的曲线型渠道、无压明流泄水隧洞和溢洪道等水工建筑物，因地形地貌原因，需采用弯道体型设计，由于受离心力和扰动波的共同作用，弯道段的水流流态变得非常复杂。该问题一直受到人们的关注，利用原型观测、试验研究、理论分析和数值模拟的手段不断探索研究，已取得了许多成果，但由于弯道水流的三维性、弯道体型的差异，水工建筑弯道水流特性研究的深度和广度离工程实践的要求尚有不小的距离，还有大量的研究工作要做。
水利水电工程泄洪消能的主要目的是通过坝身孔口、溢洪道或者泄洪隧洞将大量的洪水安全地宣泄到下游。如果泄洪消能问题处理不好，不仅将在下游河床产生严重的冲刷，而且会造成恶劣的流态，影响枢纽中其它建筑物的正常运行，甚至会危及大坝的安全。因此，泄洪消能成为工程设计中的关键性技术难题。
汤河水库溢洪道设计初步确定采用带32°圆心角的圆弧段的弯曲溢洪道形式，这使得汤河水库溢洪道成为一个有弯道的陡坡式溢洪道，弯道的存在决定了它的水流形态和消能问题的复杂性，溢洪道的设计不能通过一般单纯的设计计算来解决，因此汤河水库溢洪道水流特性及消能课题的研究具有很大的现实意义。
汤河水库下游溢洪道原设计的单级挑流方案因下游段先天不足，始终未得到彻底处理，经多年运行，尤其是几次泄洪运用后，在尾渠中交通桥前已出现10m多深的冲刷坑。前人已经完成的工作使得该水库主河道及两岸环境得到了很大改善，然而其所属区域的下游段在设计中未按照原地形分析，且尾水渠右岸边坡依旧为天然土坡，若不及时进行研究处理，溢洪道一旦泄洪，势必会冲毁右岸边坡及公路，甚至威胁右岸乡村百姓生命财产安全。为了消能及改善水流条件，减轻泄洪时水流对两岸及下游的冲刷，特别是坝下旅游景点设施更需要稳定水流保护堤岸，因此，按照实际工程的原地形制作模型进行试验研究，对下游河道进行消能处理。
随着高水头水利枢纽的兴建，尤其是在高山峡谷中建坝，高速水流泄水建筑物在平面上更是难免要出现收缩、扩展和弯道，随之出现的折冲水流产生的急流冲击波导致不对称入流问题也就更为突出，如何改变不对称入流条件成为消能中一个比较突出的问题。但目前国内外对于弯曲溢洪道造成的不对称入流条件下消能机理研究得不成熟，有许多急需解决的问题。所以，本书具有理论意义。