鞍子河水庫(kù)溢洪道消能設(shè)施布置模型試驗(yàn)研究

伏世紅

（大連市水利建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116021）

鞍子河水庫(kù)溢洪道消能設(shè)施布置模型試驗(yàn)研究

伏世紅

（大連市水利建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116021）

中小型水庫(kù)溢洪道及其消能防沖設(shè)施的布置，總是受地貌地形和周邊構(gòu)（建）筑物等的限制影響，本文以鞍子河水庫(kù)工程為例，對(duì)水庫(kù)溢洪道及其消能設(shè)施進(jìn)行了方案比選及模型試驗(yàn)研究，得出了相應(yīng)的結(jié)論，可供同類工程設(shè)計(jì)研究參考借鑒。

溢洪道；模型試驗(yàn)；折流墩；階梯消能；鞍子河水庫(kù)

1 概 述

鞍子河水庫(kù)位于遼寧省普蘭店市豐榮辦事處西泡村車屯，鞍子河中下游。水庫(kù)于1967年6月竣工。鞍子河水庫(kù)于2014年完成擴(kuò)建，新擴(kuò)建的鞍子河水庫(kù)總庫(kù)容692.42萬(wàn)m3，工程規(guī)模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等。永久性水工建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物仍為5級(jí)。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000年一遇洪水校核[1]。

擴(kuò)建后鞍子河水庫(kù)是一座以城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪、生態(tài)保護(hù)等綜合利用的水庫(kù)。同時(shí)可兼做劉大水庫(kù)城市供水的事故調(diào)節(jié)庫(kù)，還具有淡水養(yǎng)殖和美化環(huán)境的功能。

2 洪道方案比選

溢洪道位于右壩肩，凈寬50 m，全長(zhǎng)410.75 m，由進(jìn)水口、控制段、泄槽段和尾水渠四部分組成[2]。1 000年一遇校核防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下溢洪道泄流量為1 018.81 m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下溢洪道泄流量為624.02 m3/s。

1）溢洪道平面布置方案比選

鞍子河水庫(kù)溢洪道平面布置方案初步擬定2種，即圓弧彎道方案和折流墩方案。經(jīng)綜合比較分析，鞍子河水庫(kù)溢洪道平面布置采用折流墩方案，可降低工程占地補(bǔ)償費(fèi)用，雖然溢洪道沿程水流流態(tài)較為復(fù)雜，但在采取了必要的工程措施后，可使水流在折流墩處形成沖擊波，有助于增加消能率。

2）溢洪道縱剖面方案比選

擬定3種溢洪道縱剖面方案，通過(guò)比較各方案消能率以確定溢洪道最終縱剖面方案，3種方案示意圖見(jiàn)圖1。3種方案均將溢洪道布置為階梯消能結(jié)構(gòu)，設(shè)置8級(jí)臺(tái)階：方案1中1～8級(jí)臺(tái)階均未設(shè)置中墩及尾坎；方案2中6—8級(jí)臺(tái)階出口設(shè)置尾坎；方案3中6—8級(jí)臺(tái)階不僅在出口設(shè)置尾坎，并且在臺(tái)階中間設(shè)置了中墩。

第8級(jí)臺(tái)階出口與原有河道相連接，其水力要素值直接與原有河道的沖淤情況相關(guān)，因此對(duì)擬定的3個(gè)方案第8級(jí)臺(tái)階出口處的水深、流速及消能率進(jìn)行比較，選取流速較低，消能率較高的方案作為溢洪道最終縱剖面方案。

圖1 溢洪道縱剖面方案簡(jiǎn)圖

3 模型試驗(yàn)

3.1 相關(guān)參數(shù)確定

溢洪道最大下泄流量約1 000 m3/s，溢洪道寬50 m，單寬流量約20 m2/s，相應(yīng)的臨界水深約3.44 m，與臨界水深相應(yīng)的流速vk約5.88 m/s，整個(gè)溢洪道的落差約為16.04 m，軸線長(zhǎng)約220 m，平均坡度為16.04/220=0.073。為了使折流墩處有較好的來(lái)流條件，并計(jì)及上述的具體條件，溢洪道在立面沿軸線布置成階梯形，為比較消能率，對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行試驗(yàn)研究。3個(gè)方案的區(qū)別是第二方案中第6—8臺(tái)階的出口加了0.5 m高的尾坎，第3方案又在第6—8臺(tái)階的中間增加了0.5 m高的消力坎。消力坎尺寸如圖2和圖3所示。

圖2 中坎示意圖（m）

圖3 尾坎示意圖（m）

為了使各階梯末端有較好的流態(tài)，階梯的高度d與l0長(zhǎng)度要求滿足如下關(guān)系（見(jiàn)圖4）：

顯然實(shí)際v0>vk，假如第一級(jí)從堰上下跌水流收縮斷面的vc為v0，計(jì)及水頭損失，v0=10 m/s，相應(yīng)的hc=2 m。

若整個(gè)溢洪道分為n階，那么

代入式（1）得 n≈6.7階，取 n=8，所以取 d=1.2 m，l0=20.0 m。

折流墩間距的確定原則如圖5所示，設(shè)計(jì)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)折處的 v=10 m/s，h=2.32 m，F(xiàn)r=2.10，臨界折角約為61°，取琢=60°， 并取間距b1=10 m，則b2>b1tan30°≈5.77 m。

3.2 模型制作

1）相似準(zhǔn)則與模型比尺

溢洪道的模型設(shè)計(jì)采用正態(tài)模型，遵循重力相似準(zhǔn)則[3]，模型試驗(yàn)的長(zhǎng)度比尺為姿l=40。除床沙外，其它水力參數(shù)的相似比尺見(jiàn)表1。

表1 重力相似條件下的各水力參數(shù)相似

2）水工結(jié)構(gòu)模型材料、制造與安裝

根據(jù)重力相似要求，有

原型泄水建筑物的糙率np=0.015，模型泄水建筑物的糙率nm應(yīng)為因?yàn)橛袡C(jī)玻璃材料的糙率一般為0.007~0.009，與模型建筑物糙率接近，所以模型中選用有機(jī)玻璃作為泄水建筑物材料。

圖4 溢洪道階梯關(guān)系圖

圖5 折流墩示意圖

3）試驗(yàn)測(cè)試手段

供水系統(tǒng)設(shè)施：水工模型試驗(yàn)供水系統(tǒng)設(shè)施，包括蓄水池、平水塔、動(dòng)力泵、配水管和回水槽等。

試驗(yàn)量測(cè)儀器：水位與水面線量測(cè)儀器采用水位測(cè)針及水位跟蹤儀，用于測(cè)定恒定流水位；流速量測(cè)儀器采用南京水科院研制便攜式流速儀測(cè)量；流量量測(cè)儀器采用直角三角形薄壁量水堰，用于測(cè)定恒定流流量，量水堰堰型滿足量程和精度要求。

4 水工模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同研究方案溢洪道的水力特性研究

針對(duì)溢洪道的3個(gè)不同研究方案對(duì)水深、流速和消能率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究?jī)?nèi)容包括庫(kù)水位分別為23.04 m、21.64 m和20.04 m時(shí)沿程的實(shí)測(cè)水深，以及由實(shí)測(cè)水深和流量計(jì)算的沿程各點(diǎn)流速和消能率的變化。

其中，消能率η按下式計(jì)算：

式中：犖0，犖分別是庫(kù)水位和計(jì)算點(diǎn)高程；E是計(jì)算點(diǎn)的比能。

4.2 3個(gè)方案的比較及結(jié)論

1）方案比較

8臺(tái)階的出口就是原河道，它直接和原河道的沖淤情況相關(guān)，所以把3個(gè)方案第8臺(tái)階出口的水深、流速和消能率比較列于表2。

表2 第8臺(tái)階出口水深 流速及消能率的比較

由表2可見(jiàn)，方案3相比較其它2個(gè)方案其第8級(jí)臺(tái)階出口處的流速最低，消能率最高，且增加的鋼筋混凝土量很少，因此溢洪道最終縱剖面采用方案3。

2）關(guān)于修正實(shí)測(cè)水深的說(shuō)明

由于水面波動(dòng)，無(wú)論實(shí)測(cè)水深和實(shí)測(cè)流速都有較大的誤差，為了減小誤差，進(jìn)行修正：設(shè)實(shí)測(cè)水深和實(shí)測(cè)流速分別為h和v，則顯然有q=vh。

但已經(jīng)知道正確的單寬流量為q0，當(dāng)時(shí)q≠q0，說(shuō)明實(shí)測(cè)的h，v都存在誤差，分別令△h和△v為h，v的誤差， 正確的水深h0=h+△h，v0=v+△v，須確定△h和△v。

顯然有 q0=v0h0=（h+△h）（v+△v）≈hv+v△h+h·△v，q0-hv=q0-q=△q，即△q=v△h+h△v。

如果第3方案庫(kù)水位20.04 m時(shí)，實(shí)測(cè)5號(hào)臺(tái)階的水深h=1.4 m，實(shí)測(cè)流速v=4.49 m/s，由此得q=1.4×4.49=6.29 m2/s， 而正確的 q0=10.69 m2/s，所以△q=10.69-6.29=4.40 m2/s，△h=因此修正后的水深h0=1.4+ 0.49=1.89 m

4.3 原河道的保護(hù)

從8號(hào)臺(tái)階出口的水流和原河道大致90°相交。對(duì)河床的保護(hù)可以有兩種考慮：1）8號(hào)臺(tái)階下游建消力池；2）不建消力池，直接用石籠保護(hù)。經(jīng)過(guò)多個(gè)方案比較，鑒于8號(hào)臺(tái)階出口水流的弗勞德數(shù)不高，消力池的消能率很低，且在消力池出口（與原河道流向一致）有一定范圍保護(hù)措施，8號(hào)消力池出口流速不是很大，對(duì)相應(yīng)的下游水深，沖刷能力有限。因此建議不建消力池，直接用石籠保護(hù)，優(yōu)化方案的保護(hù)范圍如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案河床保護(hù)范圍示意圖

優(yōu)化方案中實(shí)測(cè)A與B兩點(diǎn)的最大流速分別為 5.06 m/s和 5.31 m/s。

5 結(jié) 論

本文對(duì)鞍子河水庫(kù)溢洪道消能設(shè)施不同研究方案進(jìn)行了模型試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果及其與設(shè)計(jì)方案的比較，得出以下結(jié)論：

1）迷宮堰中心線與下游河道約交30°，如采用常規(guī)彎道連接迷宮堰與下游河道，溢洪道縱軸線須穿過(guò)一工廠，搬遷費(fèi)用較大，因此采用折流墩方案，在工廠上游把水流急劇轉(zhuǎn)60°后，進(jìn)入河道，使縱軸線長(zhǎng)度大大縮短。在各種庫(kù)水位下，折流墩方案的水流態(tài)都較好。

2）為了避免溢洪道出口處集中消能，溢洪道縱剖面采用階梯形，并進(jìn)行了多種方案的比較。優(yōu)化方案在各種庫(kù)水位時(shí)出口流速都小于6.0 m/s，消能率都高于60%。

3）鑒于溢洪道出口處流速不高，溢洪道出口處不建消力池，直接采用石籠保護(hù)。

［1］水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)，SL252-2000［S］.中華人民共和國(guó)水利部，2000.

［2］葉青，宋憲武，胡娜．迷宮堰在鞍子河水庫(kù)工程中的應(yīng)用［J］．東北水利水電，2009（7）．

［3］湯慧.階梯消能與輔助消能工聯(lián)合應(yīng)用的試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2011.

TV651.1；TV653

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2016-01-18