L形溢流堰側(cè)槽溢洪道水力設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

賴 勇,唐 毅,顧錫春,屠興剛

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,浙江 杭州310002;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州310008)

L形溢流堰側(cè)槽溢洪道具有地形適應(yīng)能力強(qiáng)、開挖量小的特點(diǎn),堰體整體直接布置于庫區(qū)內(nèi),水流可分別從L形堰的長短兩邊匯入,入流條件較常規(guī)的側(cè)槽溢洪道還要優(yōu)越。在高山峽谷地帶,岸坡式溢洪道中正槽溢洪道容易受到堰寬限制,常采用側(cè)槽溢洪道,岸坡陡峭時(shí),設(shè)置側(cè)槽溢洪道不僅需要大量的開挖,往往還會(huì)帶來高邊坡處理問題,此時(shí),采用L形堰側(cè)槽溢洪道,將堰體向河床一側(cè)偏移,可不受地形限制,在一定程度上還可節(jié)省投資。

相對(duì)常規(guī)側(cè)槽溢洪道,L形堰側(cè)槽溢洪道增加了垂直側(cè)槽水流方向的槽首作為過流斷面,側(cè)槽內(nèi)側(cè)堰匯入的橫向水流在槽首水流及重力的作用力,以螺旋流形式向下游流出,水流紊動(dòng)十分劇烈,如設(shè)計(jì)不當(dāng)將對(duì)泄槽內(nèi)的水流流態(tài)產(chǎn)生不利影響。另外,因堰型相對(duì)復(fù)雜,致使水面線計(jì)算也較復(fù)雜,而當(dāng)前這一課題的相關(guān)研究也較少[1～5],影響了L形堰的運(yùn)用。為此,本文結(jié)合某水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)過程中這一特殊堰型的水工模型試驗(yàn)成果,對(duì)其泄流能力、水面線特征等水力特性進(jìn)行了一些分析。

1 水力設(shè)計(jì)與計(jì)算方法

1.1 工程概況

某中型水庫原側(cè)槽溢洪道進(jìn)口前端為兩孔寬度均為3.0 m的泄槽閘,因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以及泄洪時(shí)下游泄槽過流能力不足,需進(jìn)行改造。原溢洪道右岸為公路,緊靠公路內(nèi)側(cè)的陡峭山體內(nèi)布置有泄洪洞,因此不具備再向山體內(nèi)擴(kuò)挖側(cè)槽溢洪道的地形條件。水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)從經(jīng)濟(jì)以及利用已有泄槽的角度出發(fā),將原側(cè)槽溢洪道進(jìn)口前端的兩孔泄洪閘拆除后改建溢流堰,作為L形溢流堰的短邊,原側(cè)堰拆除后新建與槽首連接的溢流段作為L形溢流堰的長邊,從而將原來帶泄洪閘的側(cè)槽溢洪道改造成了L形堰側(cè)槽溢洪道,除險(xiǎn)加固改造后溢洪道結(jié)構(gòu)布置見圖1。

1.2 泄流能力

側(cè)槽溢洪道泄流能力取決于溢流堰過流能力,但泄槽過流能力不足時(shí),泄槽內(nèi)水面壅高,進(jìn)而抬高堰后的水位形成淹沒出流,也會(huì)使溢流堰過流能力減小。L形溢流堰設(shè)計(jì)短邊與長邊之比以小于1/4為宜,拐角處可用半徑R=0.4Hd的圓弧或折線連接,Hd為相應(yīng)溢洪道設(shè)計(jì)流量為Qd時(shí)的堰上水頭,通常以校核洪水位工況下泄流量為設(shè)計(jì)流量。溢流堰堰型常采用WES實(shí)用堰,上游堰面鉛直布置,下游面一般采用1∶0.5的坡度[6]。溢流堰泄流能力計(jì)算公式如下:

式中:c、m、ε、σs分別為上游堰坡影響系數(shù)、二維水流WES實(shí)用堰流量系數(shù)、閘墩側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù);B為有效堰長,等于L形堰頂幾何長度減去在拐角處的水流徑向收縮影響長度(m);H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭(m)。

圖1 L形堰側(cè)槽溢洪道結(jié)構(gòu)布置圖

常規(guī)側(cè)槽溢洪道水力設(shè)計(jì)時(shí),為不影響過堰流量,即保證堰為不淹沒堰,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)常取hs≤0.5Hd,hs為側(cè)槽首端水深高出堰頂?shù)母叨?此時(shí)淹沒系數(shù)σs=1.0。因?qū)形溢流堰側(cè)槽溢洪道水力特性的相關(guān)研究較少,工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)暫移用這一常規(guī)側(cè)槽溢洪道的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),但根據(jù)水工設(shè)計(jì)手冊(cè)[6],近似取距側(cè)槽底部起點(diǎn)約2倍底寬處的水位作為側(cè)槽首端水位。根據(jù)堰上水頭確定堰面曲線及流量系數(shù)m后,可由設(shè)計(jì)流量得到溢流堰寬度,進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。由于L形溢流堰側(cè)槽溢洪道水流紊動(dòng)十分激烈,側(cè)槽下游泄槽最好設(shè)置一平段或緩坡段,有利于調(diào)整流態(tài)。

1.3 水面線計(jì)算

側(cè)槽和下游泄槽水面曲線可利用能量方程,用分段求和法計(jì)算,側(cè)槽各分段始末斷面流量均不一致,水面線計(jì)算方法如下[7]:

式中:n、ˉJ分別為糙率系數(shù)和分段內(nèi)平均摩阻坡降;Q1、Q2分別為計(jì)算流段上下游斷面所通過的流量(m3/s);v1、v2分別為計(jì)算流段上下游斷面流速(m/s);v為流段平均流速(m/s),ˉv=(v1+v2)/2;Δs為計(jì)算流段長(m);ˉR為分段平均水力半徑(m)。

下游泄槽水面線計(jì)算公式如下[7]:

式中:θ、i、α1、α2分別為泄槽底坡角度、泄槽底坡和分段始末斷面流速分布不均勻系數(shù);h1、h2分別為分段始、末斷面水深(m);Δl1-2為分段長度(m)。

2 水工模型試驗(yàn)

2.1 模型制作與量測方法

模型按重力相似律,正態(tài)模型設(shè)計(jì),模型幾何比尺λL=40,其它相應(yīng)水力比尺為:流量比尺;流速比尺;糙率比尺庫區(qū)模擬至距L形溢流堰短邊50m的范圍,溢洪道模擬范圍包括:L形溢流堰、側(cè)槽、泄槽S彎段、泄槽直線段、泄槽陡坡段及消能段,同時(shí)對(duì)泄洪洞和部分河道進(jìn)行了模擬,模型主要采用水泥砂漿抹面制作,泄洪洞部分采用有機(jī)玻璃制作,模型全景見圖2。

圖2 模型全景圖

模型采用電磁流量計(jì)控制流量,八線智能流速儀測量流速,其余采用常規(guī)儀器量測,水位測針分辨率0.1 mm。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共進(jìn)行了兩套方案,即初始設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案。初始設(shè)計(jì)方案側(cè)槽、泄槽底坡及底板高程根據(jù)計(jì)算結(jié)果保證槽首為自由出流而確定,優(yōu)化方案在初始設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)基礎(chǔ)上,考慮到低水位時(shí)泄流能力有富余,對(duì)調(diào)洪有利,而現(xiàn)狀壩頂高程也有較大安全余度,在試驗(yàn)泄流能力滿足水庫防洪安全的前提下,對(duì)泄槽底坡進(jìn)行了一些抬高,從而大大減少了除險(xiǎn)加固實(shí)施過程中泄槽底板石方的開挖以及泄槽與壩體相鄰部位混凝土擋墻的工程量。兩方案堰頂高程、溢流寬度、上游堰高均相同,分別為116.8 m、68.6 m和6.8 m,陡坡段上游泄槽結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 泄槽結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

3 成果分析

3.1 泄流能力

初步設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)計(jì)算與模型試驗(yàn)得到的水位～流量關(guān)系曲線對(duì)比見圖3。

圖3 水位～流量關(guān)系曲線

對(duì)比初步設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)計(jì)算與模型試驗(yàn)值,在校核洪水位120.16 m泄洪時(shí),兩者幾乎相同,但低水位計(jì)算點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算值要較水工模型試驗(yàn)值偏小5%～10%,考慮設(shè)計(jì)要有一定的安全余度,因此,在沒有模型試驗(yàn)的情況下,L形溢流堰溢洪道泄流能力可以直接利用上式計(jì)算。優(yōu)化方案水工模型試驗(yàn)泄流能力在水位119.50 m時(shí)存在明顯的拐點(diǎn),顯然拐點(diǎn)以下自由出流,以上為淹沒出流,自由出流時(shí),泄流能力與初步設(shè)計(jì)方案完全相同,因此,在滿足自由出流的條件時(shí),擴(kuò)大泄槽過流斷面對(duì)增加泄流能力沒有實(shí)際意義。

3.2 側(cè)槽及泄槽水面線

以校核洪水位泄洪時(shí),模型試驗(yàn)實(shí)測的下泄流量和臨界斷面為已知參數(shù),將設(shè)計(jì)計(jì)算得到的側(cè)槽及泄槽水面線與模型試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,初步設(shè)計(jì)方案對(duì)比情況見圖4,優(yōu)化方案對(duì)比情況見圖5。

圖4 初步設(shè)計(jì)方案水面線

圖5 優(yōu)化方案水面線

在樁號(hào)0+000.00位置,初步設(shè)計(jì)方案計(jì)算水位為120.10 m,接近校核洪水位120.16 m,優(yōu)化方案計(jì)算水位為120.59 m,已超過校核洪水位120.16 m。L形堰溢洪道近似取距側(cè)槽底部起點(diǎn)約2倍底寬處的水位作為側(cè)槽首端水位,則初步設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案計(jì)算得到的槽首水位分別為119.63 m和119.96m,淹沒度hs/Hd分別為0.84和0.94。模型試驗(yàn)初步設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案實(shí)際槽首水位分別為119.18 m和119.49m,淹沒度hs/Hd分別為0.71和0.80。按側(cè)槽水面線公式計(jì)算得到的近似槽首淹沒度較水工模型試驗(yàn)實(shí)際槽首結(jié)果仍要高18%左右。另外,僅從模型試驗(yàn)結(jié)果看,對(duì)于L形溢流堰,淹沒度為0.7左右時(shí)的泄流能力與自由出流時(shí)的泄流能力相差不大。

在樁號(hào)0+055.00下游,相應(yīng)S彎道第一個(gè)轉(zhuǎn)彎位置,因泄槽軸線向右偏轉(zhuǎn),右邊墻處水位局部明顯降低[8];而在泄槽樁號(hào)0+103.78下游,相應(yīng)S彎道下游,因泄槽軸線向左偏轉(zhuǎn),右邊墻局部水位略有抬升;除此之外,按泄槽水面線公式計(jì)算得到的泄槽水面線與試驗(yàn)結(jié)果保持了較好的一致性。

4 結(jié) 語

根據(jù)對(duì)L形堰側(cè)槽溢洪道的水力計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,可得出以下一些規(guī)律供類似工程參考以優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)L形溢流堰泄流能力按實(shí)用堰公式計(jì)算時(shí),在低水位情況下要偏小5%～10%,高水位時(shí)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,考慮設(shè)計(jì)要有一定的安全余度,因此,在沒有模型試驗(yàn)的情況下,可以直接利用實(shí)用堰公式進(jìn)行計(jì)算。

(2)為保證側(cè)槽為自由出流,常規(guī)側(cè)槽溢洪道槽首要求淹沒度hs/Hd≤0.5,然而,對(duì)于L形溢流堰側(cè)槽溢洪道,根據(jù)模型試驗(yàn)情況,槽首淹沒度為0.7左右時(shí)泄流能力與自由出流時(shí)的泄流能力相差不大。

(3)對(duì)L形堰側(cè)槽溢洪道,以距側(cè)槽底部起點(diǎn)約2倍底寬處的水位作為計(jì)算槽首水深時(shí),按側(cè)槽水面線公式計(jì)算得到的近似槽首淹沒度仍較水工模型試驗(yàn)實(shí)際槽首位置淹沒度要高18%左右;在側(cè)槽下游的泄槽,按泄槽水面線公式計(jì)算的水面線結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

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