2015年09月15
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一、工程概况
赤道几内亚国吉布洛上游调蓄水库工程为闸坝式结构，河床坝段为混凝土挡水及泄水建筑物，两岸连接段为心墙堆石坝，坝长518m，坝宽约100m，最大坝高50m。混凝土泄水建筑物长113m，由3个泄洪底孔、3个泄洪表孔和1个排漂道组成，最大泄量6206m3/s。混凝土泄水建筑物与心墙堆石坝连接采用混凝土心墙与土坝裹头相结合方案，消能防冲取消传统的消力池设计方案，在闸坝后设置防冲护坦结构。
本工程的枢纽布置方案，具有以下几个显著特点：
（1）混凝土泄水建筑物与心墙堆石坝连接投标阶段为高挡墙方案，基本设计采用了混凝土心墙与土坝裹头相结合方案。采用此方案水库在泄洪运行过程中，存在顺坝流问题，为了保证坝体安全，需要了解顺坝流范围以及流速分布情况。
（2）底孔位置低，泄量大，是水库防洪的主要泄水建筑物，底孔的流量系数大小，对工程泄洪规模影响较大。
（3）泄水建筑物由底孔、表孔和排漂道3种泄水建筑物组成,具有泄量大，泄流条件复杂的特点。
（4）坝下游未作消能工，考虑利用岩石自身抗冲能力，仅考虑设置防冲护坦。泄洪流态对下游防护措施和防护的范围确定至关重要。
（5）坝下游水位是设计裹头挡墙高度的基本依据。挡墙高度低于下游最高水位时，在大洪水泄流时，会出现侧向流问题。下游水位流量关系以及侧向补水时的流态需要进行研究。
针对以上问题，2013年3月受黄河勘测规划设计有限公司委托按λ=40的几何比尺对枢纽进行整体水工模型试验，对泄水、引水建筑物流态、泄流能力等水力学问题进行主要研究。
二、模型试验任务
根据要解决的问题，赤道几内亚吉布洛上游调蓄水库工程整体水工模型试验研究的主要内容有以下几方面：
（1）验证和改善各泄水建筑物的流态，要求在各设计规定水位下满足泄流能力的要求，验证泄水建筑物的泄流能力。
（2）在现有进流条件下，验证和改善泄水建筑物的体型，提出各泄水建筑物相对合理的体型。观测各种运用工况下泄水建筑物的流态、流速、压力分布、水面线以及护坦脉动压力等。
（3）验证各泄水建筑物的流速、流态分布，对下游两岸的冲刷影响，提出合理的改进措施。
（4）验证不同下泄流量对粘土心墙坝上下游坝坡和连接段裹头的影响，提出坝坡、裹头和上下游导墙的体型、防护的修正方案。
（5）验证为保证发电洞有良好的压力流流态的最低运用水位。同时，验证电站进水口在不同水位的流态、流速、压力分布、吸气旋涡等情况，如果产生漩涡，考虑体型改进措施，研究进口底板的高程选择问题。
（6）提供相应于单体水工模型的所有常规试验数据。
三、原设计方案模型试验主要结论及存在问题
1. 主要试验结论
（1）各工况下，泄流建筑物泄量均大于设计值，过流能力满足要求。
（2）泄流建筑物堰面在各工况下出现负压，但真空值大小基本符合溢洪道设计规范规定，下游护坦各测点均属于低频脉动。
（3）上游裹头处、顺坝流处流速较小，不会引起上游裹头冲刷，也不会发生顺坝流冲刷。
（4）各种库水位运行时，电站进口处水流平稳，无吸气漩涡产生，电站进口处流速较小，无负压产生。
2.存在问题
（1）由于底孔上游来流边界不对称，底孔泄流时水面有通气漩涡产生，漩涡的产生增大了底孔内脉动压力，易吸入水面漂浮物，且对泄流能力、底孔内水流稳定不利。见图1。
图1 上游底孔进口水面吸气涡旋
（2）表孔进口边墩绕流现象明显，最大绕流深度6m左右，边孔主流不居中，偏流、脱流现象明显。进口绕流使漩涡带进大量空气易引起闸门振动和门槽气蚀。见图2。
图2 上游表孔进口绕流现象明显
（3）单体建筑物泄流和整体全开泄流时，出现了排漂泄流下游水横向流入表孔下游，表孔水横向流底孔下游横向流现象，主流侧向流向入左右岸裹头形成侧向流现象。见图3。
图3 泄流建筑物下游横向流、侧向流不利流态
（4）底孔下游水跃发生位置在底孔出口弧形闸门处，水跃下游有水拱、二级水跃水流现象发生，泄流建筑物下游水流流态有待改善。见图4、图5。
图4 底孔泄流下游产生的二级水跃
图5 底孔泄流水跃发生在弧形闸门处
四、优化措施及效果验证
1. 优化措施
（1）优化表孔进口体型，向上游做导流墩，减小、改善边墩进口绕流现象，导流边墩为1/4圆弧，圆弧半径为6m，圆心在底孔上游最边沿线上，具体布置尺寸见图6。
图6 表孔进口边墩体型优化
（2）在右侧底孔、门库前加消涡梁：通过模型试验最终确定在620m位置布设消涡梁、（见图7），门库前自左向右布设范围：0+317.5——0+357.5，消涡梁距门库前上游范围：0-027.00—0-038.50，横梁宽与横梁静间距均为0.5m。
图7 底孔上游布设消涡措施
（3）左、右岸下游挡墙外侧坑洼处回与挡墙顶，防止回流；下游河道在现有消力池末端向下游疏浚至坝下游300m处，疏浚高程至590m高程；表孔与底孔下游分隔墙加高10m，表孔与排漂下游分隔墙加高8m，防止横向流产生。见图8~9。
图8 加高边墙及隔墙高度
图9 疏浚后下游河床
2.优化效果
（1）表孔进口改进后，表孔进口边墩绕流深度与原设计方案相比大大改善，最大绕流深度降至1.5m左右，远小于原设计方案表孔进口绕流深度，表孔左、右边孔主流基本居中，堰面下游偏流、脱流现象得到很大改善。见图10。
图10 优化后表孔进口流态得到大大改善
（2）底孔泄洪坝段，右底孔在整体泄流时水位超过619m时在水面可见掺气漩涡，采取一定消涡措施后，经试验漩涡现象能够基本得到消除。见图11。
图11 布设消涡梁底孔上游水面流态平稳，无吸气漩涡
（3）下游两岸边墙及表孔与底孔间导墙加高10m后，建筑物下游横向流、侧向流、二级水跃不良水力现象基本消失。见图12。
图12 优化后下游侧向流、横向流及二级水跃现象消失
（4）下游河道疏浚后，流态得到很大改善，底孔下游水跃位置发生在底孔出口弧形闸门下游，不影响闸门正常运行。见图13。
图13 优化后底孔下游水跃位置下移到墩尾下游，不影响闸门正常运行
五、成果工程化转化及应用效益
赤道几内亚吉布洛上游调蓄水库工程整体水工模型试验于2014年8月顺利通过黄河勘测规划设计有限公司验收，赤道几内亚吉布洛上游调蓄水库工程目前正在施工阶段，在该工程施工过程中上游表孔进口体型、底孔消涡措施及下游岸墙、导墙高度和下游河道疏浚范围高程，都是依据本模型试验的研究成果，本项目研究成果已转化到工程中并得到应用。本模型试验的研究成果改善了水流流态，保证了以后工程正常安全运行，尤其在施工阶段合理及时地为施工单位提供的试验成果，大大节省了工程量及投资。该模型试验的研究成果具有较大的经济效益、社会效益及长远的生态效益。
本工程研究中心，受中工国际工程股份有限公司委托在2012年-2013年承接了《孟加拉国Kamalapur雨水泵站水力模型试验》和《孟加拉国Rampura雨水泵站水力模型试验》研究，研究成果于2013年8月顺利通过孟加拉国业主方代表、监理方代表，世界银行特聘专家验收，该研究成果已转移到生产部门，在工程中已得到转化应用，已经获得了巨大的社会和经济效益。
图14 专家验收
图15 专家验收