多流道式彎道在黃山洞水庫溢洪道加固中的應用

周 斌

多流道式彎道在黃山洞水庫溢洪道加固中的應用

周 斌

（汕尾市水利水電規(guī)劃設計院 廣東汕尾 516600）

平面復雜流道可借助導流墻切割水流形成多個相互獨立的流道，限制水流的紊動范圍，從而達到平順水流的目的。本文對黃山洞溢洪道平面收縮彎段的多流道設計、水力模型試驗及優(yōu)化和運行情況進行了簡要說明，可供類似工程參考。

多流道 黃山洞水庫 水庫除險加固 溢洪道

現(xiàn)有水庫溢洪道加固時，常常遭遇彎道、擴散、收縮等平面形態(tài)復雜的泄洪流道，使水流橫向環(huán)流嚴重、流態(tài)紊亂，形成了復雜的水力邊界，增加了設計難度。多流道設計是處理溢洪道復雜平面流態(tài)段的有效措施之一，將單一的復雜流道劃分為多流道，通過隔水墻的作用將流態(tài)的紊亂限制于分流道內，使得各分流道的水力條件趨于簡明化，使得水流狀態(tài)可控。本文將簡要介紹多流道式彎道在黃山洞水庫的具體運用，以供類似工程參考。

1 工程概況

黃山洞水庫位于廣東省博羅縣石壩鎮(zhèn)的東江支流黃山洞河上，壩址以上控制集雨面積44km2，水庫距石壩鎮(zhèn)4.2km。黃山洞水庫總庫容3170萬m3，設計灌溉面積2.7萬畝，是一座以灌溉為主、兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、供水等綜合利用的中型水庫工程。

黃山洞水庫樞紐建筑物主要有大壩、溢洪道、涵管和發(fā)電站等。大壩為粘土心墻土壩，最大壩高36.6m，壩頂寬4.8～5.5m，壩頂長186m；溢洪道全長1080m，依次為進口段、控制段、陡槽段、消能段、出水渠等，呈曲線布置；涵管為長154.1m的鋼筋混凝土圓涵，內徑0.9m，壁厚0.4m；壩后電站總裝機825KW，分為兩級，共裝機5臺。

2 地形條件和溢洪道總體布置25

溢洪道位于大壩右岸山體約70m的埡口處，右側山體順河向延伸，左側山體垂直河流延伸，形成了“丁”字形山體；溢洪道在“丁”字的根部開挖而成，右岸坡高陡峭，開挖邊坡高達30余m，左岸山坡相對平緩，開挖邊坡高約10m。

受地形限制和除險加固的工程特性，溢洪道在維持現(xiàn)有總體布置的基礎上進行了局部調整，調整后溢洪道從上至下依次仍保持為進口段、控制段、陡槽段、消能段、出水渠等部分，全長1080m。進口段長12.4m，底板高程為94.22～94.66m；控制段長27.9m，設堰控制，上、下游底板高程為94.66m；陡槽段總長度189.24m，共分為兩級，一級陡槽段長28.5m，底寬從34.0m漸變?yōu)?8.0m，兩側岸坡均為1:1，同時溢洪道左轉17.56°，中心轉彎半徑350m；二級陡槽段長160.74m，為底寬18.0m的梯形斷面，兩側岸坡均為1:1；溢洪道消能段長80.26m，采用分別長35m和26m的兩級消力池消能；消力池后依次接護坦、海漫及出水渠，長度分別為15m、30m、325.2m。

3 溢洪道進口至彎道段的初始方案設計

3.1初始方案布置

溢洪道進口段長12.4m，底板高程為95.20～95.56m，底板縱坡為i=1/28.2；控制段長23.50m，采用頂寬34.00m的寬頂堰，堰頂高程95.56m，兩側邊坡1：1.0；一級陡槽段為收縮段，長33.5m，底寬從34.0m漸變?yōu)?8.0m，底板高程為95.56～85.55，底坡縱坡為i=1：3.5；收縮段后往左偏折5°接順直段為二級陡槽，曲率半徑為150m，二級陡槽長126.5m，底板高程為85.55～67.93，底坡縱坡為i=1：7；陡槽兩側岸坡均為1:1，同時溢洪道在陡槽段左轉17.56°，中心轉彎半徑350m，擬設三道導墻將陡槽段劃分為四個相對獨立的分流道。

3.2初始方案的計算

溢洪道進口至轉彎段形成了一個復雜的平面形態(tài)，一方面溢洪道堰后開始收縮，底寬從凈寬34.0m收縮到18.0m，過流凈寬束窄了47%；另一方面，泄槽轉彎，轉彎角17.56°，使水流狀態(tài)復雜化。設置了三道導墻后，左、右岸坡平面折角產(chǎn)生的擾動波后水流方向將偏轉與邊坡方向平行，并分別向右、左分流道下游傳播，擾動波分別由左、右導墻截斷不進入右中、左中分流道，左、右兩道擾動波之間的區(qū)域近似視為無橫向環(huán)流區(qū)；中導墻將中部平順水流再分為二，分別進入左中、右中流道；通過三道導墻抵擋擾動波的相互傳播同時約束水流的橫向環(huán)流，使四個分流道水流流態(tài)相對平順。分流道進入彎道后的平順段后重新合并為單一流道。

兩岸坡平面折角產(chǎn)生的擾動波后水流方向將偏轉與邊坡方向平行，相應水深、流速也躍變；擾動波前水流可視為無橫向環(huán)流的恒定流。初始方案的左、右導墻應能擋住從兩岸坡平面折角產(chǎn)生的擾動波，使其不進入左中、右中分流道。波角、波峰后水深、流速按下列公式計算：

式中：

β1—沖擊波波角；

θ—邊墻偏轉角或水流方向偏轉角；

Fr1—起始斷面弗勞德數(shù)；

h1、h2—起始斷面與波峰下游斷面水深；

vl、v2—起始斷面與波峰下游斷面流速。

由于擾動波傳播長度較大，波前流速的變化不可忽略，需分段采用式（1）計算b=0、b=B/2、b=B的擾動波參數(shù)；進入左、右分流道的流量可采用辛普森積分法按下式計算：

式中：

B —分流道的寬度。

左中、右中分流道進口流態(tài)視為無橫向環(huán)流的恒定流，可按進口寬度比例折算分流道的流量。

各分流道可視為恒定流，可按一元流用能量方程計算各斷面的水位。經(jīng)試算推演，形成導墻和分流道的初始方案，見圖1。

4 水力模型試驗及優(yōu)化

廣東省水利水電科學研究院對初始方案進行了水工模型試驗。從試驗結果反映，溢洪道溢流堰進口入流平順，堰后兩側水流出現(xiàn)較明顯的側向收縮，對溢洪道的泄流能力產(chǎn)生了一定的影響，使庫水位高于設計值；經(jīng)導水墻調配后，偏流現(xiàn)象已不明顯，右分流道水面較左分流道高0.3～0.4m；在陡槽轉彎變坡處右分流道存在水流折沖現(xiàn)象?？傮w上，采用了多流道方案減輕了彎曲段沖擊波的影響，改善了陡槽彎道段的流態(tài)。

在初始方案的基礎上，廣東省水利水電科學研究院對溢洪道的布置進行了優(yōu)化修改。將控制段的寬頂堰改成了駝峰堰，堰前左直線導墻處的改成了半徑為15m的弧形導墻，加大了溢洪道的過流能力；將右導水墻和中導水墻縮短；分流道內增設了數(shù)道高0.4m、間距6.5m的階梯，增大了泄流的紊動和摻氣，降低了陡槽面的流速，減輕了下游消能壓力。推薦的溢洪道前段（進口段至多流道式彎道段）的布置見圖2。

圖1 溢洪道前段初始方案圖

圖2 溢洪道前段推薦方案圖

表1 多流道彎道段水力模型試驗成果摘錄表

模型試驗在初始方案和推薦方案的多流道彎道各設置了測驗斷面，其中在水庫下泄百年一遇洪水（下泄流量327.22m）時，測驗數(shù)據(jù)摘錄見表1 。

根據(jù)表1的觀測成果，采用多流道方案均能達到將水流紊動限制在分流道內的目的。經(jīng)過優(yōu)化后，流速降低、水深加大，流速和水深在各分流道的分布更趨于均勻，能有效降低流出多流道段水流產(chǎn)生的橫向環(huán)流，有利于后續(xù)段保持流態(tài)的穩(wěn)定。

5 運行狀況

黃山洞水庫于2008年9月開始除險加固，于2010年11月竣工投入運行。2010年6月黃山洞水庫溢洪道進行了泄洪，水庫最高洪水位為95.71m，雖然過水尚淺，但仍然觀察到水流流態(tài)與預想基本吻合。

6 結語

采用多流道設計方案，可將復雜邊界條件下的主流道切割成邊界條件相對簡單的分流道，減輕主流道內水流紊動和沖擊波的相互影響，彎道時還可因單流道凈寬的降低從而降低橫向水位差的絕對值，使得水流條件趨向簡單化、可控化，可在類似水利工程中加以運用。

1. 《溢洪道設計規(guī)范[S]》 SL253—2000. 中國水利水電出版社。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.05.025

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1672-2469（2014）05-0081-03

25作者簡介：周 斌（1972年—），男，高級工程師。