青山水庫溢洪道水工模型試驗研究

徐建平，王月華，史 斌，王 斌

(1.長興縣水利局，浙江 長興 313100;2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 工程概況

青山水庫位于長興縣和平鎮(zhèn)沙埠村，屬西苕溪支流曉墅港支流，壩址距11省道約450m。青山水庫所在地氣候溫暖濕潤，四季分明，雨水充沛，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。多年平均氣溫15.6℃，多年平均降水量1535.10mm;梅雨、臺風(fēng)雨是本地區(qū)洪災(zāi)產(chǎn)生的主要原因。

水庫集雨面積3.4km2，主流長4.0km，主流平均坡降為2.6%，總庫容110.4萬m3，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、供水等綜合利用的小 (1)型水庫。水庫工程等別為Ⅳ等，主要永久性水工建筑物級別為4級，次要建筑物為5級。灌溉面積233.3hm2(3500畝)，防洪保護(hù)人口2300人，耕地166.7hm2(2500畝)。

溢洪道為開敞正槽式溢洪道，控制堰堰型為寬頂堰，位于大壩左岸。堰頂高程為58.20m，堰頂寬12.50m，P=5.0%泄洪能力為26.7m3/s，設(shè)計工況 (P=2.0%)泄洪能力為34.3m3/s，校核工況 (P=0.2%)泄洪能力為53.8m3/s［1］。原設(shè)計方案工程平剖面見圖1和圖2。

圖1 原設(shè)計方案工程平面圖

圖2 原設(shè)計方案工程剖面圖 單位:m

2 模型設(shè)計

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計［2］，幾何比尺取1∶20。上游取堰上約100.00m，下游至消力池以下約85.00m，模型全長約16.00m。模型參照設(shè)計提供的圖紙和現(xiàn)狀實際情況控制放樣，采用斷面板法，以水泥砂漿刮制而成。模型設(shè)計、制作、儀器設(shè)備及精度均滿足水利部頒發(fā)的SL 155—2012《水工 (常規(guī))模型試驗規(guī)程》要求。

3 原設(shè)計方案

3.1 試驗成果

由于受溢洪道彎道的影響，水流在慣性作用下直沖彎道左岸擋墻，使左側(cè)水深增加，右側(cè)水深降低，形成水面橫比降。水體大部分集中在左側(cè)，右側(cè)部分位置甚至露出底板。隨著上游來流量的增加，泄槽中水流橫比降更大。雖然彎道本身有一定的橫比降，最大的橫比降在彎道中心處，約為1∶11.5，但是作用不明顯。P=5.0%工況時，泄槽內(nèi)實測最大水深為1.80m，位于溢0+076.60m，水流接近擋墻;P=2.0%工況時，泄槽內(nèi)實測最大水深為2.10m，位于溢0+078.60m，水流翻越擋墻，水面超過擋墻約0.30m。原設(shè)計方案水流流態(tài)和左岸沿程水面線見圖3和圖4。

水流在溢0+105.10m斷面形成挑流:①水舌直接越過消力池挑落在池后河床上，消力池不起消能作用。在P=5.0%、P=2.0%水舌最高點超過消力池?fù)鯄Ψ謩e為1.92，2.12m。P=5.0%工況挑流水舌最大挑距為16.00m，水舌落在消力池尾坎下游5.57m;P=2.0%工況挑流水舌最大挑距為18.00m，水舌落在消力池尾坎下游7.57m。②在上游折沖水流的影響下，水流出鼻坎后斜向右邊挑出，直接砸擊消力池右側(cè)擋墻，水流流態(tài)較差 (見圖3、4)。

3.2 存在的問題

通過模型試驗，該溢洪道存在的問題有:①泄槽存在不利折沖水流:水流分布不均勻，流態(tài)不利，能量集中。水流在離心慣性力的作用下產(chǎn)生沖擊波，水面沿?fù)鯄ε栏撸O(shè)計工況的時候出現(xiàn)水流翻越擋墻現(xiàn)象。②消能工不能滿足設(shè)計要求:水流出鼻坎后直接砸擊消力池右側(cè)擋墻;水舌越過消力池，消力池不起作用。

圖3 原設(shè)計方案水流流態(tài)圖

圖4 原設(shè)計方案左岸沿程水面線圖

4 修改方案

4.1 工程布置

(1)目前工程上應(yīng)用的改善彎道水流的方法有緩和曲線法、斜底法、斜檻法等［3-4］，本文通過反復(fù)試驗來尋求最佳改善彎道水流的措施。最后推薦設(shè)置高低槽和貼角方案:溢0+059.05～溢0+078.60m設(shè)置高低槽，前后各設(shè)長度為8.00m的過渡段。高槽表面橫比降為1∶10，右側(cè)和低槽相接處直立墻高度均為0.75m。溢0+066.80～溢0+078.60m設(shè)置高0.80m的貼角，位于高槽上 (見圖5)。

(2)為了改善消力池流態(tài)，工程措施是取消挑流鼻坎，鼻坎處高程由39.21m降低到37.17m，溢0+099.10～溢0+104.60m設(shè)置1∶1.88的斜坡。消力池長度沿中心線增加7.00m(見圖6)。

圖5 高低槽和貼角示意圖 單位:m

圖6 消能工示意圖 單位:m

4.2 試驗成果

高低槽和貼角明顯改善了沿程水流流態(tài)，解決了彎道沖擊波和水流翻越擋墻問題。進(jìn)入彎道和陡槽的水流被重新分配，沖擊左側(cè)擋墻的水流強(qiáng)度明顯減小，折沖現(xiàn)象明顯減弱，泄槽露底面積明顯減小。圖7和圖8分別為修改方案的水流流態(tài)和左岸沿程水面線。

P=5.0%工況時，泄槽內(nèi)實測最大水深為1.10m，位于溢0+074.60m斷面貼角上，少量水流翻越貼角進(jìn)入貼角跟擋墻之間的回水槽，進(jìn)而流入泄槽，水流沒有超過擋墻。P=2.0%工況時，泄槽內(nèi)實測最大水深為1.20m，位于溢0+074.60m斷面貼角上，少量水流翻越貼角進(jìn)入貼角跟擋墻之間的回水槽，進(jìn)而流入泄槽，水流沒有超過擋墻。

圖7 修改方案水流流態(tài)圖

圖8 修改方案左岸沿程水面線圖

水流自泄槽進(jìn)入消力池后均能形成淹沒水躍，水流漩滾強(qiáng)烈。P=5.0%、P=2.0%工況下，消力池水流均沒有超過擋墻，水面分別距離擋墻頂約1.44，0.84m。由于取消挑流鼻坎和消力池沿中心線加長7.00m，水流出消力池后比較順暢，下游水流流態(tài)明顯優(yōu)于原設(shè)計方案。

5 結(jié)語

通過1∶20水工模型，對青山水庫溢洪道進(jìn)行了試驗研究，提出的修改方案通過在溢洪道上進(jìn)行局部改造，較好地解決了彎道沖擊波和水流翻越擋墻問題，改善了消力池的消能效果。①修改方案為高低槽結(jié)合貼角，彎道和陡槽的水流被重新分配，明顯改善了沿程水流流態(tài)，折沖現(xiàn)象明顯減弱。②取消挑流鼻坎和加長消力池長度后，水流均能射入消力池中，水流流態(tài)較原設(shè)計方案明顯改善。在P=5.0%和P=2.0%下，水面均不會超過消力池?fù)鯄Α?/p>

［1］王月華，史斌.青山水庫除險加固工程溢洪道水工模型試驗研究報告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2013.

［2］屠興剛，包中進(jìn).新疆阿勒泰柯賽依水電站岸邊溢洪道水工模型試驗研究［J］.浙江水利科技，2012(5):35-36.

［3］李靜，伍超，吳宇峰.雙彎曲溢洪道的優(yōu)化及試驗研究 ［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報，2006，32(2):324-328.

［4］何占斌，鄭春城.彎曲溢洪道綜合消能的試驗研究 ［J］.中國水運，2012，12(3):108-109.