多彎道溢洪道水力特性研究

曲大力

（松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

龍屯水庫庫容為 1.15×108m3，為大（2）型水庫。龍屯水庫溢洪道的彎道有三處，沿泄流方向轉(zhuǎn)角分別為順時針45°，逆時針3.97°和順時針10.67°。龍屯水庫溢洪道除險加固工程中，工程設計單位將溢洪道布置為彎曲溢洪道是依托有利地形，避免深挖，將其布置在穩(wěn)定的地基上，并考慮到巖體結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)構(gòu)造以及水文地質(zhì)條件對溢洪道及邊坡穩(wěn)定的不利影響。

1 水工模型

1.1 模型設計

設計方案溢洪道為4孔敞泄式溢洪道，單孔凈寬為10.0 m，泄流總凈寬為40.0 m，堰型為駝峰堰，溢洪道控制段后接彎道段，彎道段出口接一級綜合式消力池，池長35.0 m，池深2.8 m，消力坎高1.0 m，一級消力池接陡槽段，陡槽全長520 m，寬46 m，二級消力池為綜合式消力池，池深3 m，長40 m，消力坎高1 m。

根據(jù)試驗任務要求，模型按重力相似準則設計[3]，選幾何比尺為1∶50的正態(tài)定床清水模型進行試驗研究。根據(jù)重力相似準則所得出的模型比尺見表1。

表1 模型試驗比尺

1.2 模型制作

根據(jù)相似比尺和模型試驗任務要求，模型模擬樁號0+0.00以上120 m，鉛絲石籠下游100 m（樁號為0+804處）的地形，整個模型包括上游穩(wěn)水池，平水溢流設施，300 m的庫區(qū)河道，溢洪道以及鉛絲石籠下游至0+804 m斷面的下游河道，量水堰等部分，模型占地約30 m×15 m。

庫區(qū)及下游河道地形根據(jù)設計提供的1∶1000地形圖，按斷面模板法制作，模板間隔50 cm，相當于原型25 m，整個地形均用水泥砂漿制作。

泄水建筑物中溢流堰、控制閘門、陡槽溢洪道、兩級消力池、護坦部分均采用有機玻璃制作，鉛絲石籠部分鋪設大粒徑砂石。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

流量采用薄壁堰量測。對于較大流量采用90 cm寬的矩形等寬薄壁堰量測，較小流量采用90 cm寬的直角三角形薄壁堰量測，堰高均為30 cm，其堰上水頭采用水位測針量測。

庫水位用設在庫內(nèi)的旁通管量測，沿程各斷面水位采用水位測針量測，各點壓強采用測壓管量測，流速采用智能微型旋漿流速儀量測。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 水位與泄流量

通過模型試驗實測了泄洪閘1孔、2孔、3孔及4孔全開時的水位與泄流量關系，相應的水位與泄流量關系曲線見圖1、圖2。

圖1 閘門開啟1～3孔時實測水位與流量關系

圖2 實測與設計閘門4孔全開時水位與流量關系

由圖可知，水位與泄流量近似呈線性關系，并且水位相同時，實測流量略大于設計流量。如50年一遇洪水時，庫水位為74.22 m，設計流量為1419 m3/s，實測值為1624.94 m3/s，其過流量已超過100年一遇洪水的泄流量1613 m3/s，庫水位在68.71～75.27 m之間時，相應流量為38.077～1867.44 m3/s。試驗結(jié)果表明，原設計駝峰堰的泄流量滿足設計要求。

2.2 水流流態(tài)特征

2.2.1 堰后水流流態(tài)

50年一遇、100年一遇洪水情況下，4孔閘門全部開啟后，閘后水流流態(tài)特征為：水流流經(jīng)駝峰堰，形成堰流，過堰水流在重力作用下自由下泄，流線收縮，水面產(chǎn)生跌落。墩后受水流沖擊波交匯的作用，在樁號0+270前形成菱形波面，閘墩后有漩渦，水位較低，水流交匯處及兩岸邊壁水位較高，在0+250斷面中心線處水面達到最高點。尤其是100年一遇洪水時，菱形波更加明顯，起伏也較大，由于大坡降的作用，過堰水流流速也不斷加大。

2.2.2 彎道段的水流流態(tài)

溢洪道最大的彎道段在樁號0+250～0+332.47之間，50年一遇洪水彎道段水流流態(tài)特征為：

彎道水流由于受到重力和離心慣性力的共同作用，自由水面的平衡狀態(tài)遭到破壞，使得自由液面凹岸高，凸岸低，消力池呈現(xiàn)不對稱入流。同時由于下游消力池水流的頂托作用，使消力池內(nèi)部淹沒水躍向上游移動，水躍頭部位于0+280斷面處，凸岸水面有回流，在0+310～0+330斷面之間形成豎向漩滾。在彎道段，水面低于兩岸邊墻。

2.2.3 消力池內(nèi)水流流態(tài)

試驗觀測了溢洪道50年一遇洪水一級消力池、二級消力池內(nèi)的水流流態(tài)特征。由于上游水流能量不太大，一級消力池內(nèi)形成淹沒水躍，躍前斷面位于消力池進口上游0+280斷面處。由于上游彎道水流影響，一級消力池內(nèi)主流仍偏向左岸，消力池尾坎阻擋使池內(nèi)左岸產(chǎn)生涌浪，水面明顯高于右岸，水流間歇性涌出左岸邊墻。左岸主流受消力坎阻擋，沿消力池末端向右岸回流，形成豎向漩滾，而沿消力池底板由左向右流動的水流，受右岸邊墻阻擋，靠近右岸邊墻形成縱向漩滾。在消力池末端，水面高過邊墻頂部，水流溢出。

在50年一遇洪水時，泄槽下游二級消力池水流流態(tài)特征為：經(jīng)一級消力池末端流出的水流主流偏向左岸，經(jīng)光滑溢洪道折沖后仍偏向左岸，在消力池內(nèi)形成淹沒水躍，躍前斷面位于樁號0+610處，水躍表面漩滾靠近左岸。右岸回流形成豎向漩滾，靠近右岸邊壁則形成縱向漩滾。之后水流沿坎頂溢出，水流湍急而紊亂，水花劇烈翻滾，對下游將造成嚴重沖刷破壞。

2.3 水面曲線

試驗分別沿溢洪道中心線、左邊墻及右邊墻在樁號0+210 m，0+230 m，0+250 m，等25個斷面對水面高程進行量測。

試驗得出：由于離心力的作用，溢洪道下泄水流在彎道處產(chǎn)生急流沖擊波，使主流偏向凹岸。流經(jīng)光滑泄槽時，形成兩股水流，這兩股水流相互作用，主流擴散折沖轉(zhuǎn)向，使水面形成斜向波浪，在溢洪道末端主流仍位于左岸。

由測量數(shù)據(jù)知50年及100年一遇洪水時，一級消力池0+395.00斷面左岸，二級消力池0+634.4斷面左岸和0+650斷面右岸，水面高程略高于設計邊墻頂部，邊墻高度不滿足要求，修建時需要相應的加高。

2.4 沿程壓力分布

試驗中對溢洪道底板壓力的測量采用測壓管量測，測點沿溢洪道底板中心線布置，全程共66個測點。經(jīng)測量，50年、100年一遇洪水時，沿程各測點壓強水頭平均值大于0，無負壓，產(chǎn)生空蝕的可能性極小。

2.5 流速分布

試驗測量了溢洪道各斷面速度值，得出：斷面0+210至0+250流速趨于均勻分布，兩岸速度值近似相等。進入彎道后，由于水流受離心力作用，主流偏向凹岸，左岸速度值明顯大于右岸。光滑泄槽內(nèi)由于水流折沖轉(zhuǎn)向，斷面流速分布左右極不均勻，主流所在一側(cè)速度值較大，另一側(cè)速度值較小。如0+410斷面至0+470斷面及0+550斷面至0+610斷面，左岸速度值較大，而右岸流速較小。由于沖擊波的影響，上下游兩級消力池內(nèi)流速分布左右極不均勻，呈現(xiàn)出沿左岸流速較大，中部及右岸流速相對較小的情況。

2.6 消能率計算

測量斷面上單位重量液體的所具有的總能量E，采用公式（1）計算：

式中：z代表位置水頭，α代表動能修正系數(shù)（通常取值1.0），v代表流速，g為重力加速度。

表1、表2分別為50年、100年一遇洪水時一級消力池、光滑泄槽和二級消力池消能率實測值。

表1 50年一遇洪水各級消能工的消能率

由表中數(shù)據(jù)可知，一級消力池內(nèi)由于形成了淹沒水躍，因此，消能率較低。由表1，2可知，50年一遇洪水時光滑泄槽的消能率（31%），明顯大于100年一遇洪水時光滑泄槽的消能率（15%），兩者相差近一倍。

表2 100年一遇洪水各級消能工的消能率

3 結(jié)論分析及存在的問題

1）駝峰堰泄流量的實測值明顯大于相同庫水位下的設計值，經(jīng)計算庫水位在69.04～75.27 m之間時，駝峰堰流量系數(shù)在0.423～0.509之間變化。試驗證明，溢洪道實測泄流量略大于設計值，設計駝峰堰具有超泄能力，泄流量滿足設計要求。

2）溢洪道上沿程各測點壓強水頭實測值均大于零，無負壓，產(chǎn)生空化空蝕可能性極小。

3）由水面曲線分析可知，一級消力池及二級消力池末端水面高于邊墻頂部，邊墻高度不滿足過流要求，相應邊墻需加高。

4）從水流流態(tài)特征分析可知，一級消力池深度和長度能夠滿足100年一遇泄流要求，但二級消力池尺寸不能滿足50年一遇設計洪水的安全下泄，因此該消力池需適當加長加深。

5）受彎道急流沖擊波的影響，溢洪道整體水流流態(tài)較差，水面線呈現(xiàn)不對稱分布，水面波動大，兩岸水面高差大，彎道段流速、流態(tài)分布較復雜。建議在實際工程中采用合理有效的措施，如導流墻、斜檻法、渠底超高法[4]等，來調(diào)整彎道水流對工程的不利影響，其工程措施及最佳方案有待更進一步的研究。

[1]張銀華.彎道急流的改善措施研究[D].鄭州∶鄭州大學，2006.

[2]郭維東，裴國霞，韓會玲.水力學[M].北京∶中國水利水電出版社，2005.

[3]南京水利科學研究院，水利水電科學研究院.水工模型試驗[M].北京∶水利電力出版社，1985.

[4]克納普(R.T.Knapp).1958.急流渠道曲線段的設計[M].高速水流論文譯叢.科學出版社.