黃河西霞院水利樞紐泄洪閘水力計算及模型試驗

連惠萍，趙 婷

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

黃河西霞院水利樞紐工程是一座以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水等綜合利用的大型水利工程，胸墻式泄洪閘是工程的主要泄水建筑物，共21 孔，其中開敞式泄洪閘14孔，胸墻式泄洪閘7 孔。根據(jù)理論計算和水工模型試驗，對胸墻式泄洪閘的泄流能力及其影響因素進行分析總結(jié)，研究泄洪閘的體型及其泄流能力，對樞紐的整體布局有著舉足輕重的作用。

1 西霞院工程概況

西霞院工程位于黃河干流小浪底水利樞紐壩下16 km 處，壩址左岸為河南省洛陽市吉利區(qū)，右岸為洛陽市孟津縣，壩址以上流域面積69.46 萬km2。本工程為大（2）型工程，主要建筑物有擋水大壩、泄洪閘、排沙洞、河床式電站、王莊引水閘、灌溉引水閘等，均為2 級建筑物，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000 年一遇。根據(jù)黃河多泥沙的特點和樞紐運行要求，采取泄洪、排沙和發(fā)電建筑物集中布置在中部、大壩布置在左右兩側(cè)的總體布置形式。 樞紐建筑物為閘壩式結(jié)構(gòu)， 壩頂高程139 m，壩頂長3 122 m(其中土壩長2 601 m)，最大壩高51.2 m(電站壩段)。 可行性研究階段，泄洪閘全部采用開敞式布置 （該方案以下簡稱開敞式布置方案），可行性研究審查意見為“同意泄洪閘采用開敞式布置方案，基本同意選定21 孔泄洪閘泄流規(guī)模，高水位時泄洪建筑物泄量裕度較大，初設(shè)階段應(yīng)進一步比選核定”。 根據(jù)審查意見，本階段在可行性研究方案的基礎(chǔ)上，將21 孔泄洪閘中靠電站一側(cè)（左側(cè)）的7 孔閘的堰頂高程降低，采用胸墻式結(jié)構(gòu)，其余14 孔仍采用開敞式布置形式（該方案以下簡稱組合式布置方案）。 同開敞式布置方案進行比較。

2 胸墻式泄洪閘設(shè)計

胸墻式泄洪閘孔口尺寸為：9 m×4.5 m (寬×高)。堰型為實用堰，堰體采用拋物線。選取的曲線方程為y=x2/32.5。堰頂高程為121.0m，胸墻厚2.23m。 胸墻底緣高程為R=1 m 的圓弧段與1∶3 的壓坡連接， 數(shù)值為125.1 m。下游接直線段和反弧段與閘下消力池段相接。 設(shè)計形式如圖1 所示。

圖1 西霞院胸墻式泄洪閘閘室段縱剖視圖Fig.1 Breast wall flood discharge gate lock chamber section view of Xixiayuan

3 胸墻體型研究

從模型試驗中發(fā)現(xiàn)，在各級特征水位下，堰面和閘墩上各測點的壓力值均為正值，壓力變化基本平順。 從壓力分布來看，堰面設(shè)計基本合理,但胸墻底緣弧段產(chǎn)生負(fù)壓，其負(fù)壓值隨閘前水位的升高而增大，校核水位時負(fù)壓值為1.37m 水柱。 胸墻上產(chǎn)生負(fù)壓主要是由于胸墻底緣水流脫離邊界所造成。因此,為了消除負(fù)壓,要對胸墻體型進行5 種修改。 胸墻體型參數(shù)見表1。表中5 種胸墻底緣最低點都是125.5 m，且胸墻下的堰頂形式一樣。

表1 胸墻體型對泄洪閘泄量的影響Table 1 Effect of breast wall to flood discharge gate discharge volume

當(dāng)上下游水位一定時，影響胸墻式泄洪閘泄流能力的主要因素有堰面體型和胸墻體型; 當(dāng)堰面體型不變時，胸墻體型是影響泄流的主要因素。 從表中可看出，原方案、1 方案及2 方案中,胸墻厚度和壓坡坡度相同，僅胸墻進口局部曲線有變化，在同一水流條件下，泄量變化不大。 方案3 與原設(shè)計相比，僅壓坡變陡， 在相同水流條件下， 其泄量約減少5%。 泄量減少主要是泄洪閘堰面為實用堰，當(dāng)胸墻為壓坡變陡時，出孔水流由于慣性壓迫水舌，減少了過流面積。 方案4 與原設(shè)計相比，壓坡相同，胸墻變薄，其泄量減少約6%。 方案4 減少的主要原因是壓坡位置上移，實際過流孔口高度減小。 方案5 同原設(shè)計相比，胸墻厚度增加，壓坡變緩，其泄量增加較多，約5%～7%。方案5 泄量增加的原因是胸墻加厚、壓坡變緩。 因此，當(dāng)堰型一定時，胸墻壓迫是影響泄量的主要因素，當(dāng)胸墻厚度一定時，壓坡越緩流量系數(shù)越大。 從模型試驗可以看出，當(dāng)堰型一定時，胸墻壓坡是影響泄量的主要因素， 胸墻厚度一定時，壓坡越緩,流量系數(shù)越大，胸墻厚度相對較小時，其壓坡不能過緩，因為過緩不僅會引起負(fù)壓，還會引起水流在胸墻底緣處流線互相脫流，流態(tài)不穩(wěn)。 方案5 的體型在各種特征水位下胸墻上均無負(fù)壓，且流量系數(shù)較大。

4 流量系數(shù)選取研究

4.1 問題的提出

胸墻泄洪閘采用帶胸墻孔口的實用堰曲線。 根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》SL253-2000A.2.2,帶胸墻孔口實用堰的泄流能力公式為：

式中:Q 為流量；m3/s；μ 為孔口自由出流流量系數(shù)，（p1/Hd）＞0.6，H/D=2～3 時，μ=0.70～0.80；（p1/Hd）＞0.6，H/D=1.5～2 時，μ=0.60～0.70； k 為孔口面積，m2；Hw為計入行近流速水頭的堰上總水頭，m；Hd為定型設(shè)計水頭，m；H 為堰上水頭，m。

根據(jù)水力學(xué)計算公式,Hd=0.65Hmax，p1=121～118=3m， p1/Hd=0.33，不滿足上述范圍。 考慮H/D 在2～3 范圍內(nèi)，可根據(jù)比值內(nèi)插,選取流量系數(shù)0.72～0.77。

4.2 試驗與計算比選

黃河水利科學(xué)院對西霞院工程的初步設(shè)計進行了1∶50 的胸墻泄洪閘進行單體模型試驗。原設(shè)計泄洪閘為兩孔一聯(lián)， 縫墩和中墩相間布置， 模型選1個整墩、2 個半墩、2 個整閘孔，模擬閘段寬度24.50 m。

表2 胸墻泄洪閘7 孔不同水位下流量及參數(shù)比較Table 2 Comparison of parameter and down-off of breast wall flood discharge gate seven-hole of different water levels

從表2 可知，p1/Hd=0.33＜0.6， 流量系數(shù)也在0.70～0.80 范圍內(nèi)。試驗結(jié)果大于設(shè)計值5%～6%，但考慮胸墻體型對流量系數(shù)影響較大，且根據(jù)胸墻底緣的壓力測試成果，胸墻底緣弧段在各特征水位下均存在負(fù)壓，為了消除負(fù)壓，對胸墻進行5 種體型的修改。

從表3 可知, 試驗值大于設(shè)計值11%～13%，試驗流量系數(shù)較大，使流量增大。 因此,把孔口從4.5 m減小為4.1 m，修改后試驗流量系數(shù)稍增。

表3 修改后7 孔胸墻泄洪閘不同水位下流量參數(shù)比較Table 3 Comparison of parameter, down-off and flow of amending breast wall flood discharge gate seven-hole of different water levels

4.3 理論計算流量系數(shù)選取

從試驗與計算比較中可以發(fā)現(xiàn), 流量系數(shù)在計算上偏小，經(jīng)分析,計算采用的是《溢洪道設(shè)計規(guī)范》SL253-2000 中帶胸墻孔口實用堰流能力計算公式，由于在計算中p1/Hd=0.33＜0.6， 不符合p1/Hd=0.33＞0.6 的計算條件，只是近似采用該計算公式。 流量系數(shù)綜合反映閘孔形狀和閘門相對開度對泄流量的影響。 從形狀上看,原設(shè)計采用的公式中胸墻底緣對應(yīng)堰頂高程，采用5 體型泄洪閘胸墻布置形式時,檢修門布置在胸墻前緣，工作門布置在胸墻末端，因此胸墻底緣位于堰頂軸線下游，對應(yīng)堰頂高程120.75m，與前用公式條件不符。

重力壩設(shè)計規(guī)范DL5108-1999 孔口泄流能力計算公式為：

式 中：Q 為 流 量，m3/s；Ak為 出 口 處 面 積，m；Hw為自由出流時孔口中心處的作用水頭，m；μ 為孔口或管道流量系數(shù)， 初步設(shè)計時對設(shè)有胸墻的堰頂高孔，當(dāng)Hw/D=2～2.4(D 為孔口高，m)時，取μ=0.74～0.82，對深孔取μ=0.74～0.82，對短有壓深孔取μ=0.83～0.93， 對長有壓深孔μ 必須在計算沿程及局部水頭損失后確定。

西霞院工程胸墻較厚，設(shè)計已形成了壓力段。根據(jù)模型試驗成果， 在采用有壓流計算沿程及局部損失后確定流量系數(shù)是合適的。

表4 閘孔縮小后7 孔胸墻泄洪閘不同水位下的流量參數(shù)比較Table 4 Down-off and comparison of contracting flood discharge gate seven-hole of different water levels

從表4 可以看出,流量系數(shù)與模型試驗很接近，流量也大于設(shè)計流量5%左右，完全符合一般模型試驗規(guī)律，因此,可以認(rèn)為,流量滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

經(jīng)理論計算模型試驗，當(dāng)堰型一定時，胸墻壓坡是影響泄量的主要因素，胸墻厚度一定時，壓坡越緩,流量系數(shù)越大。 當(dāng)胸墻厚度相對較小時，其壓坡不能過緩，因為過緩不僅會引起負(fù)壓，還會引起水流在胸墻底緣處流線互相脫流，流態(tài)不穩(wěn)。

[1] 盧東梅. 西霞院開敞式泄洪閘水工模型試驗研究[C]//中國水力發(fā)電工程學(xué)會水文泥沙專業(yè)委員會第七屆學(xué)術(shù)討論會論文集:上冊》，北京:中國水力發(fā)電工程學(xué)會,2007：180-182.

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