清河水庫第二泄洪洞進(jìn)口閘中墩體型優(yōu)化研究

金樹川

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

清河水庫位于遼寧省鐵嶺市清河區(qū)境內(nèi)的清河下游，是一座兼具供水、防洪、灌溉、旅游等多種功能的綜合性大型水利工程，水庫建成以來，一直發(fā)揮著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。清河水庫壩址以上控制流域面積2376km2，總庫容9.71億m3，水庫的泄洪設(shè)施包括6孔溢洪道和泄洪洞，其中泄洪道的最大下瀉流量為4210m3/s，泄洪洞的最大下泄流量為300m3/s[2]。

2005年8月上旬，遼河流域普降大到暴雨，清河流域發(fā)生超過百年一遇標(biāo)準(zhǔn)的特大洪水[3]。在洪水過后，清河水庫管理處的相關(guān)技術(shù)人員對本次洪水過程進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果顯示校核洪水位平壩頂，面對比1953年設(shè)計(jì)更為惡劣的洪水，有必要尋求第二泄洪工程。清河發(fā)電廠在2005年進(jìn)行節(jié)水升級改造之后，原有的以清河水庫為冷卻池的大循環(huán)冷卻系統(tǒng)停止使用，因此清河水庫管理局?jǐn)M將該系統(tǒng)的回水隧洞改造設(shè)計(jì)為第二泄洪洞。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鑒于水流形態(tài)的復(fù)雜性和多變性，至今尚無研究水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的良好方式。因此，無論是傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式還是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的數(shù)學(xué)模型分析法，均有自身的不足和局限[4]。所以，大型水利工程設(shè)計(jì)，不僅需要利用理論公式設(shè)計(jì)，還需要利用水工模型進(jìn)行驗(yàn)證。水工試驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅可以解決理論研究的不足，還可以驗(yàn)證水工布置的合理性，從而用于工程實(shí)踐。

結(jié)合清河水庫第二泄洪洞的改建工程實(shí)際，本次模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足SL155- 95《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》[5]和SL158- 95《水工建筑物水流壓力脈動(dòng)和流激震動(dòng)模型試驗(yàn)規(guī)程》[6]等相應(yīng)的水工設(shè)計(jì)規(guī)范要求。此外，模型應(yīng)該按照佛汝德相似定律設(shè)計(jì)，以滿足重力和阻力相似性條件。

2.2 模型的制作

根據(jù)水工模型制作規(guī)范的相關(guān)要求，模型的幾何比尺選定為35。進(jìn)口壓力段和洞身部分分別采用有機(jī)玻璃制作，厚度分別為10mm和8mm，糙率為0.008，和原型0.014的糙率大致相當(dāng)。泄洪洞的出口下游河道利用水泥砂漿粉制成，利用天然砂模擬河道的基巖和覆蓋層，出口河床的基巖采用抗沖流速法進(jìn)行模擬，模擬的長度和寬度暫定為500m和300m，模擬材料為散粒料[7]。

3 中墩的體型設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

3.1 直立式中墩

3.1.1 橢圓形中墩

對上述中墩設(shè)計(jì)進(jìn)行模型試驗(yàn)，觀察顯示水流流態(tài)隨著水庫蓄水位的提高而不斷變化，且在各級特征水位下，中墩的尾部均產(chǎn)生了強(qiáng)烈的水翅，并沖擊泄洪洞的頂部，水翅跌落處的兩側(cè)水面雍高明顯，中間水面下凹，水面紊動(dòng)變化十分強(qiáng)烈。此外，隨著庫水位的不斷升高，水流紊動(dòng)變化更為劇烈，水流流態(tài)進(jìn)一步變差，并與中墩的壁面發(fā)生分離。總之，采用傳統(tǒng)的橢圓形中墩設(shè)計(jì)，會(huì)致使兩股高速水流相互碰撞，造成巨大的水流沖擊力，從而產(chǎn)生具有顯著危害性的水翅，使得下游水流的流態(tài)極不穩(wěn)定。

3.1.2 流線型中墩

橢圓形中墩的模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，進(jìn)水塔段對水流的阻礙作用不大，水流形態(tài)較為平順，但是中墩尾部出現(xiàn)了嚴(yán)重的水流對沖，水流在巨大的沖擊力的作用下形成水翅，流態(tài)較差。為解決橢圓形中墩造成的水流形態(tài)不穩(wěn)定問題，將中墩的尾部加長13m，長度由原來的73m加長到86m，設(shè)計(jì)為流線型中墩體型，并在樁號(hào)為0+056.96～0+061.96范圍內(nèi)增設(shè)半徑為15.41m的圓弧收縮型延長段。

對上述設(shè)計(jì)進(jìn)行模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示流線型中墩體型水流流態(tài)得到了明顯改善，主要表現(xiàn)為水流的相互撞擊作用明顯減弱，在3種不同的水庫水位下，該設(shè)計(jì)均能明顯改善中墩墩尾的水流流態(tài)。但是，水面紊動(dòng)現(xiàn)象仍然比較明顯，在水庫水位較高情況下，局部仍然會(huì)產(chǎn)生水翅。

3.1.3 直立中墩設(shè)計(jì)存在的問題

模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，無論是橢圓形還是流線型直立中墩，均會(huì)在中墩的墩尾部位產(chǎn)生不同程度的水翅，并且會(huì)隨著上游水庫水位的升高而增強(qiáng)，同時(shí)造成下游水面紊動(dòng)變化，水流形態(tài)較差。分析其主要原因?yàn)椋涸谏鲜鰞煞N方案中，采用的均是傳統(tǒng)的直立型中墩，其尾部斷面的高程相等，當(dāng)中墩左右的兩股水流在中墩尾部交匯時(shí)，由于水流的對沖作用而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，在這種沖擊力的作用下，兩股水流的沖擊荷載均會(huì)集中于同一斷面，這是水翅產(chǎn)生的根本性原因。另一方面，水流在中墩尾部附近水面，先是急劇下降再劇烈反彈，從而引發(fā)強(qiáng)烈的水翅。綜上所述，中墩尾部的水流對沖和水面下凹是水翅產(chǎn)生的兩個(gè)主要原因。

3.2 能量分配型中墩設(shè)計(jì)

上述模型試驗(yàn)的結(jié)果顯示，傳統(tǒng)直立式中墩，會(huì)產(chǎn)生不同程度的水翅現(xiàn)象，其主要原因是中墩尾部的水流對沖和水面下凹。因此，有必要對中墩的結(jié)構(gòu)體型進(jìn)行再次優(yōu)化，盡量減少水流對沖作用，改善水流流態(tài)。

3.2.1 模型設(shè)計(jì)的思想和方案

基于上述分析，在傳統(tǒng)直立式中墩的基礎(chǔ)上，將尾墩部位設(shè)計(jì)為能量分配型中墩，以改變中墩兩側(cè)水流的不同交匯位置，盡量消減水流的對沖作用，從而解決中墩尾部水翅過高的問題。其基本設(shè)計(jì)思想為：將中墩中軸線的水平面投影定義為x軸，水流方向?yàn)檎较颍源怪庇趚軸的方向?yàn)閥軸，其中豎直向上的方向?yàn)檎较?，?yōu)化后的中墩由上下兩部分組成，上部為傳統(tǒng)的直立型中墩，下部改為斜尾墩，中墩的整個(gè)尾部沿X軸方向自上而下逐級收縮，最終收縮至中墩的底部。上述設(shè)計(jì)的目的是將中墩左右兩側(cè)的水流自上而下逐級匯合，使其交匯處處于不同高程的斷面上，從而實(shí)現(xiàn)水流的均勻分配和水翅分級承擔(dān)，有效改善水流形態(tài)。

能量分配型中墩的上部和下部結(jié)構(gòu)均為橢圓曲線方程，其基本控制參數(shù)如圖1所示。其中，曲線A1A2的方程為：

(1)

曲線A1A3的方程為：

(2)

式中，a—中墩上部橢圓曲線的長軸，m；b—下部W高程平面內(nèi)橢圓曲線的長軸，m；c—中墩的厚度，m；k—中墩上下兩部分交線的最高點(diǎn)與W高程之間的距離，m。

圖1 能量分配型中墩基本控制參數(shù)示意圖

3.2.2 能量分配型中墩的具體設(shè)計(jì)

在能量分配型中墩設(shè)計(jì)中，進(jìn)水塔段的中墩體型與直立式中墩設(shè)計(jì)完全相同，將中墩的尾部加長11.24m，長度由原來的24.0m增加到35.24m。參照上節(jié)中的模型設(shè)計(jì)思想，結(jié)合上節(jié)模型試驗(yàn)過程中暴露出的直立式中墩的結(jié)構(gòu)缺陷，將能量分配型中墩的體型控制參數(shù)初步擬定見表1的數(shù)值。

表1中墩體型控制參數(shù)數(shù)值 單位：m

模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，在上游水庫的各級水位下，泄洪洞采用能量分配型中墩雖然也會(huì)產(chǎn)生水翅，但是高度明顯降低，規(guī)模較小，不會(huì)接觸泄洪洞的拱頂和邊壁，因此不會(huì)對泄洪洞水面上部的通氣造成影響，可以明顯改善高速水流造成的沖擊波，水流形態(tài)得到明顯的改善。總之，泄洪洞采用能量分配型中墩是合理的，可以作為最終推薦方案。

4 結(jié)語

本文以清河水庫第二泄洪洞為例，利用模型試驗(yàn)法對中墩體型優(yōu)化展開研究，并獲得了如下結(jié)論：

(1)根據(jù)模型試驗(yàn)，傳統(tǒng)直立型中墩在尾墩合并處會(huì)產(chǎn)生危害性水翅，水流流態(tài)較差，會(huì)給泄洪洞安全運(yùn)行造成嚴(yán)重危害，因此不建議使用這種體型的中墩。

(2)針對傳統(tǒng)直立中墩尾部水翅問題，提出能量分配型中墩，模型試驗(yàn)結(jié)果顯示能夠有效分散水流沖擊力，可以有效改善水翅問題，建議采用這種中墩體型。

(3)能量分配型中墩雖然在改善水流流態(tài)、消若水翅方面具有重要作用，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，建議在施工時(shí)要加強(qiáng)質(zhì)量管控。