白楊河水庫(kù)溢洪道急流收縮段優(yōu)化模型試驗(yàn)研究

胡甫圣，李 琳

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

溢洪道是水利樞紐工程中一種重要的泄水建筑物，而溢洪道的布置形式多種多樣[1]。在工程實(shí)踐中，為了節(jié)省工程造價(jià)，常要求建筑物的泄水寬度小于原水庫(kù)寬，這樣就使泄出的水流集中，單寬流量增大，水流速度也很大，一般為急流，而下游泄槽中的水流一般多為緩流。且下游泄槽寬度一般小于上游泄水寬度。它們之間的過(guò)渡段多采用收縮段，收縮段是明流泄水道常用于連接上、下兩種不同寬度的銜接形式，當(dāng)收縮段的收縮角小于6°，可以不考慮沖擊波的影響，但當(dāng)收縮角大于6°必須考慮沖擊波的影響。在急流下泄時(shí)，由于急流具有很大的慣性，在收縮段當(dāng)水流遇到邊墻轉(zhuǎn)向的阻礙時(shí)，對(duì)邊墻產(chǎn)生沖擊作用。同時(shí)邊墻也對(duì)水流產(chǎn)生反力，迫使水流沿邊墻轉(zhuǎn)向，而引起水流發(fā)生動(dòng)量變化，并且出現(xiàn)水面部分抬高，邊界的改變對(duì)急流產(chǎn)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)是以波的方式在渠道內(nèi)傳播，即為急流沖擊波[2]。沖擊波在平面上便形成一條劃分?jǐn)_動(dòng)區(qū)域的斜線，稱為繞動(dòng)線或者稱波峰。急流沖擊波會(huì)造成單寬流量分布不均勻，收縮段邊墻向水流內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折時(shí)，沖擊波會(huì)使局部水深增加，邊墻需要加高，增加工程造價(jià)；如果波動(dòng)傳至下游消能部分，由于部分水流集中，增加消能困難；沖擊波處過(guò)水?dāng)嗝嫔狭魉俸蛪毫Ψ植疾痪?，并派生脈動(dòng)，有可能損壞底板襯砌[3]。

白楊河水庫(kù)是一座以農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)供水為主、兼顧防洪的具有綜合開(kāi)發(fā)任務(wù)的Ⅳ等小(1)型水利樞紐工程，主要建筑物級(jí)別4 級(jí)，次要建筑物及臨時(shí)建筑物級(jí)別5 級(jí)。工程由大壩、導(dǎo)流放水沖沙涵洞、溢洪道等建筑物組成。水庫(kù)總庫(kù)容998.0 萬(wàn)m3，水庫(kù)興利庫(kù)容810 萬(wàn)m3，死庫(kù)容75 萬(wàn)m3，死水位1 301.38 m，正常蓄水位1 328.90 m，設(shè)計(jì)洪水位1 330.10 m，校核洪水位1 330.99 m，該水庫(kù)設(shè)置正槽開(kāi)敞式溢洪道，溢洪道為無(wú)閘控制開(kāi)敞自由泄流式，堰頂高程與正常蓄水位相同，為1 328.90 m，設(shè)計(jì)和校核洪水位時(shí)對(duì)應(yīng)的下泄流量分別為79.0 m3/s和212.2 m3/s，溢洪道由進(jìn)口段、控制段、前段泄槽段、中部消能段、消能后渠道段、泄槽段、尾部消能段、與河床連接段組成，總長(zhǎng)度為309.7 m。其中進(jìn)口引渠段長(zhǎng)38.53 m，控制段長(zhǎng)17.0 m，第一段泄槽長(zhǎng)64.472 m，中部消力池長(zhǎng)36.528 m，消力池后緩坡渠道長(zhǎng)63.0 m，渠道后接泄槽，長(zhǎng)40.44 m，泄槽后接尾部消力池，長(zhǎng)31.833 m，消力池后接河床連接段，長(zhǎng)18.0 m。溢洪道進(jìn)口底板高程1 326.9 m，末點(diǎn)與河床連接段高程為1 279.262 m。其中溢洪道WES堰凈寬27 m，收縮段自0+017.00斷面開(kāi)始，至0+057.00斷面結(jié)束，泄槽寬度由28 m收縮至10 m，收縮角為12.68°，如圖1所示。由于收縮段收縮角12.68°大于6°，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]對(duì)于收縮角較大的收縮段，應(yīng)進(jìn)行急流沖擊波驗(yàn)算，此時(shí)收縮段內(nèi)的沖擊波影響必須考慮。由于急流沖擊波是典型的三維高速流動(dòng)，而前人沖擊波的理論研究[5-7]是假定水流的豎向分速忽略不計(jì)，沿鉛垂線上各點(diǎn)的壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)分布考慮; 摩擦阻力可以忽略不計(jì)，沖擊波的波頭為零，在這些假定基礎(chǔ)上，從理論上無(wú)法正確預(yù)測(cè)急流沖擊波的波后流速和波后水深，溢洪道收縮段及其下游的水流流態(tài)和流速需要通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)提供參考。

1-a 平面圖 1-b 縱剖圖圖1 溢洪道收縮段布置圖Fig.1 Arrangement of contraction of spillway

比尺名稱幾何比尺糙率比尺時(shí)間比尺流速比尺流量比尺符號(hào)λlλrλTλvλQ比尺大小301．7635．4775．4774929．5

1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況

模型采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[8-9]。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地大小、試驗(yàn)任務(wù)要求和供水條件，模型幾何比尺確定為1:30，其他各項(xiàng)比尺見(jiàn)表1。

溢洪道引渠段、控制段、陡槽段、消能段均采用有機(jī)玻璃制作，并具有拆卸功能，便于觀察水流流態(tài) ，能夠滿足修改模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。有機(jī)玻璃的糙率為0.008～0.009，換算成原型為0.014～0.016，與混凝土糙率十分接近，可以滿足相似要求[7]。

表2 模型試驗(yàn)工況Tab.2 Model test conditions

模型模擬長(zhǎng)度為390 m，其中壩上游庫(kù)區(qū)段100 m，壩下游段290 m，上游庫(kù)區(qū)模擬至庫(kù)區(qū)底部，深度為60 m。模型由上游水庫(kù)供水，物理模型堰前設(shè)置較長(zhǎng)的引水渠以平順?biāo)鞔_保水庫(kù)進(jìn)入模型的水流平穩(wěn)，通過(guò)控制上游水庫(kù)中的水位高程來(lái)控制模型流量。模型流量量測(cè)系統(tǒng)由上游量水堰(水庫(kù)首部)和下游量水堰組成，入庫(kù)流量由上游量水堰量測(cè)，溢洪道過(guò)流量由下游量水堰量測(cè)，溢洪道各部位水流的流速用畢托管測(cè)量，壓強(qiáng)用測(cè)壓管測(cè)量。設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。最后實(shí)測(cè)在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，下泄流量為87 m3/s，校核洪水位時(shí)，下泄流量為207 m3/s。

2 急流收縮段方案優(yōu)化

2.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

原設(shè)計(jì)方案收縮段及其上下游布置見(jiàn)圖1。庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)泄流滿足要求，而校核洪水位時(shí)溢洪道泄流不能滿足安全泄流要求，其泄流流態(tài)和水面線分別見(jiàn)圖2。試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)用堰的泄流能力不足，應(yīng)增加堰寬提高其泄流能力。無(wú)論是在設(shè)計(jì)洪水還是校核洪水工況下，由于堰后收縮段內(nèi)為急流，邊墻向水流內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了擾動(dòng)線以下區(qū)域水面壅高的現(xiàn)象，即產(chǎn)生沖擊波，沖擊波惡化了收縮段和下游泄水道的流態(tài)。收縮段內(nèi)折沖水流在反弧段(樁號(hào)0+047.0～0+064.5)中軸線處碰撞壅高，兩側(cè)邊墻處水深相對(duì)較小，形成了中間高兩邊低的水流形態(tài)，折沖水流碰撞壅高的水流挑射到下游泄槽段，形成飛濺的水翅對(duì)下游流態(tài)產(chǎn)生了很?chē)?yán)重的影響，在收縮段末端，折沖水流的碰撞壅高高度隨著泄流量的增大而增高。校核洪水時(shí)，水流速度較大，水流的佛汝德數(shù)Fr較大，收縮段邊墻轉(zhuǎn)折處的水深隨著Fr的增加而加深[7]，產(chǎn)生的沖擊波更加明顯，水流最大壅高與邊墻同高，不斷有水流濺出邊墻外。從圖2可以看出，從收縮段開(kāi)始由于渠道寬度變小及沖擊波的影響，水深逐漸增大，校核洪水時(shí)收縮段內(nèi)的水深自1.032 m增加到最大值1.697 m(位于0+49.792)，隨后中軸線處水深開(kāi)始減小，進(jìn)入反弧段后成貼壁流，邊墻處的水流在0+49.792折沖交匯壅高形成水翅，水流開(kāi)始拋射出去，在收縮段下游的反弧段0+59.866處開(kāi)始拋射水流高出邊墻，并有水流濺出，故原設(shè)計(jì)方案邊墻高度不滿足泄流要求。

2-a 校核洪水泄洪流態(tài) 2-b 校核洪水水面線圖2 原設(shè)計(jì)方案校核洪水流態(tài)及水面線Fig.2 Flow state and water line of check discharge in original design scheme

2.2 修改方案1試驗(yàn)

為了解決原設(shè)計(jì)方案實(shí)用堰過(guò)流能力不足及收縮段急流收縮產(chǎn)生沖擊波造成的影響，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改：增加WES堰泄流凈寬度至32 m，控制段總寬度由28 m增加至33 m，其他尺寸保持不變；將收縮段加長(zhǎng)，收縮段仍由0+017.00斷面開(kāi)始，延長(zhǎng)至0+065.40斷面結(jié)束，泄槽寬度由33 m收縮至10 m，收縮角為13.35°修改方案1如圖3所示。

校核洪水時(shí)溢洪道泄流流態(tài)和水面線如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，堰寬增加后設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下溢洪道泄流量滿足泄流要求。溢洪道宣泄設(shè)計(jì)洪水和校核洪水時(shí)收縮段內(nèi)沖擊波依然很明顯。與原設(shè)計(jì)方案相比由于收縮段始端寬度增加，相比于原設(shè)計(jì)方案同一斷面收縮段水深減小，邊墻區(qū)與中軸線處的水深差值減小，水流較平順地沿底板泄流。在設(shè)計(jì)泄流量時(shí)，與原方案相比，修改方案1中收縮段的最大水深低于原設(shè)計(jì)方案最大水深。由于修改方案1收縮角增大，水流佛汝德數(shù)減小，根據(jù)劉韓生改進(jìn)簡(jiǎn)化式[6]計(jì)算得沖擊波的波角隨之增大，折沖水流交匯點(diǎn)向下游移動(dòng)，交匯后飛濺的水流沒(méi)有超出邊墻，此時(shí)邊墻高度滿足要求。同理在校核流量時(shí)，由于流量增大，佛汝德數(shù)增大，相較于設(shè)計(jì)洪水，校核洪水折沖水流交匯點(diǎn)位置向上游移動(dòng)，在0+056.200處交匯碰撞壅高水深為1.1 m，在慣性力和離心力共同作用下反弧段(樁號(hào)0+057.900～0+070.500)不斷有水濺起，并且折沖產(chǎn)生的水翅影響到下游，在下游飛濺的水流有部分超出邊墻。修改方案1解決了設(shè)計(jì)方案中泄流能力不滿足要求的問(wèn)題，但水流沖擊波和水翅對(duì)泄流的影響仍然較顯著，必須采取一定的措施來(lái)降低水流沖擊波和水翅的影響。

圖3 修改方案1布置圖Fig．3Thearrangementofmodifiedscheme14-a校核洪水泄洪流態(tài) 4-b校核洪水水面線圖4 修改方案1校核洪水流態(tài)及水面線Fig．4Flowstateandwaterlineofcheckdischargeinmodifiedscheme1

在收縮段內(nèi)共布置11個(gè)典型斷面，每個(gè)斷面上布置了左、中、右三條測(cè)線，每條測(cè)線上布置了三個(gè)測(cè)點(diǎn)。用距離底板三分之一水深處的測(cè)點(diǎn)流速均值代表該斷面測(cè)線的平均流速。設(shè)計(jì)洪水和校核洪水時(shí)收縮段平均流速如圖7所示。從圖中可以看出，由于沿程高程的降低，流速隨之增大。在樁號(hào)0+056.200處，由于折沖水流開(kāi)始在此處碰撞壅高，使水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，流速分布改變，造成水流質(zhì)點(diǎn)之間摩擦和碰撞加劇，速度下降。

綜上所述，修改方案1解決了溢洪道過(guò)流量不足的問(wèn)題；收縮段內(nèi)流態(tài)較原設(shè)計(jì)方案有所改善，但是在校核流量泄流過(guò)程中反弧段依然有折沖水流交匯產(chǎn)生的水花濺出，邊墻高度不能滿足泄流要求。

2.3 修改方案2試驗(yàn)

在修改方案1的基礎(chǔ)上，通過(guò)多組次、不同孔板孔徑和孔間距的泄流實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出最佳的布置方式即修改方案2，在堰后收縮段內(nèi)自樁號(hào)0+027.837起始設(shè)置一小于溢洪道底板坡度的正坡對(duì)稱多邊形孔板，孔板上均勻布置一定孔徑的圓孔，孔板始端為銳緣型，與溢洪道底板直接相連?？装迥┒说撞吭O(shè)置一定高度的支撐墩體，使孔板頂面形成一定坡度，孔板尺寸和具體布置見(jiàn)圖5。

5-a 孔板縱剖面 5-b 孔板平面圖5 修改方案2布置圖Fig.5 The arrangement of modified scheme 2

6-a 校核洪水泄洪流態(tài) 6-b 校核洪水水面線圖6 修改方案2校核洪水流態(tài)及水面線Fig.6 Flow state and water line of check discharge in modified scheme 2

7-a設(shè)計(jì)流量時(shí)收縮段沿程流速對(duì)比7-b校核流量時(shí)收縮段沿程流速對(duì)比圖7 修改方案1、2收縮段典型斷面平均流速Fig．7Averagevelocityofcontractionsectionfortypicalplaninmodifiedschemes

由于控制段保持不變，故修改方案2溢洪道泄流能力與修改方案1相同。校核洪水時(shí)溢洪道泄流流態(tài)和水面線如圖6所示。校核洪水工況下，堰后急流收縮段和反弧段泄洪流態(tài)明顯改善。折沖水流交匯點(diǎn)與修改方案1相比較向下游移動(dòng)至階梯段，交匯后中軸線處的水翅高度明顯小于原設(shè)計(jì)方案，這主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案中水流折沖碰撞點(diǎn)恰好位于反弧段，離心力作用明顯，水花不斷濺出邊墻。修改方案2收縮段水流交匯點(diǎn)移至階梯段，加之階梯段糙率較大，水深明顯大于反弧段，水流折沖交匯后邊墻處和中軸線處水深相差不大，原設(shè)計(jì)方案中校核洪水時(shí)反弧段邊墻處水深僅為15 cm、中軸線處水深達(dá)到3.8 m，遠(yuǎn)大于邊墻處水深，水深相差很大，而在加孔板方案中，反弧段邊墻處水深增加至1.5 m，中軸線處水深基本與其同高。同時(shí)由于孔板頂面坡度小于泄槽底板坡度，因此收縮段內(nèi)各橫斷面上水深增加，流速有所減小，減小折沖水流初始動(dòng)能。修改方案2與修改方案1在設(shè)計(jì)流量和校核流量時(shí)收縮段典型斷面平均流速對(duì)比如圖7。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)和校核流量下修改方案2中收縮段及其下游泄槽內(nèi)的流速明顯小于修改方案1。這是因?yàn)榭装宥尾诼试龃笃露葴p緩使泄槽水深增加，流速減小，孔板段結(jié)束后進(jìn)入泄槽段，由于慣性作用，孔板對(duì)水流的影響維持一定距離，使孔板下游一定距離內(nèi)流速繼續(xù)減小。

試驗(yàn)結(jié)果表明與修改方案1相比修改方案2可更有效地削減急流沖擊波及水翅對(duì)泄流的影響。由文獻(xiàn)10可知折沖波產(chǎn)生的水翅長(zhǎng)度和水翅高度與上游庫(kù)水位、水面下凹深度、水流對(duì)沖長(zhǎng)度有關(guān)，水翅長(zhǎng)度隨水流對(duì)沖長(zhǎng)度和水面下凹深度增加而增加，水翅高度隨水流對(duì)沖長(zhǎng)度和水面下凹深度的增加而增加[10]；當(dāng)收縮段內(nèi)增加孔板后，中軸線處水深增加、邊墻與中軸線處的水深差減小，流速減小，水流對(duì)沖減弱，水流對(duì)沖長(zhǎng)度減小，因此，修改方案2產(chǎn)生的水翅長(zhǎng)度和高度減小。對(duì)沖點(diǎn)的位置與波角、收縮段收縮角、波前傅汝德數(shù)、渠道的寬有關(guān)，根據(jù)石教豪水流正沖擊波的生產(chǎn)機(jī)理推導(dǎo)的公式[11]可以得出相對(duì)波高增加，波角減小，對(duì)沖點(diǎn)后移，對(duì)沖點(diǎn)從修改方案1的0+056.200處向后移動(dòng)到修改方案2的階梯段，作用于水體的離心慣性力減小，也使折沖水流交匯產(chǎn)生的水翅長(zhǎng)度和高度減弱。

3 結(jié)論

原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果表明，溢洪道控制段寬度偏小，實(shí)際泄流能力不能滿足設(shè)計(jì)要求；在校核流量時(shí)，收縮段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的沖擊波，水流漫溢邊墻，不能滿足水庫(kù)溢洪道安全泄流的要求。修改方案1增加了控制段寬度使溢洪道泄流量滿足安全泄流要求，折沖水流引起的水翅高度有所減小。修改方案2在修改方案1的基礎(chǔ)上，在溢洪道堰后或閘后收縮段內(nèi)特定位置設(shè)置一小于溢洪道底板坡度的正坡對(duì)稱多邊形孔板，與溢洪道底板直接相連。試驗(yàn)結(jié)果表明：在收縮段底板上布置孔板，急流收縮段內(nèi)泄洪流態(tài)明顯改善，折沖水流產(chǎn)生的水翅進(jìn)一步減小，原設(shè)計(jì)方案收縮段及其下游段邊墻高度滿足要求，布置的孔板減小了收縮段中軸線及其附近區(qū)域的坡度，增加了水深，減小了斷面的水深差。從一定程度上減輕了沖擊波對(duì)下游流態(tài)的影響，同時(shí)減小了水流的流速，折沖水流形成的水翅高度和長(zhǎng)度都減小。收縮段底板上布置正坡多邊形孔板是解決急流收縮段內(nèi)沖擊波和水翅影響的一種新型措施，其布置方式可為其他同類工程提供參考。

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