佛寺水庫除險加固工程溢流堰泄流能力試驗研究

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 工程概況

遼寧省佛寺水庫位于阜新蒙古族自治縣境內(nèi)，細(xì)河支流伊馬圖河中下游，始建于1976年，1984年建成運行，設(shè)計總庫容1.45億m3，是一座具有防洪、供水、養(yǎng)魚等綜合效益的大(2)型水利工程。水庫永久性擋水和泄水建筑物按100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2000年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，消能防沖建筑物為50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)保護下游阜新地區(qū)和錦州義縣部分城區(qū)23 萬畝耕地和20 萬人口生命財產(chǎn)安全。由于受當(dāng)時建設(shè)資金和技術(shù)水平的影響，水庫一直處于帶病運行狀態(tài)，經(jīng)鑒定為“三類壩”。為保障下游地區(qū)人民生命和財產(chǎn)安全，2016年開始對該水庫進行除險加固工程建設(shè)，并對溢洪道控制段閘室進行拆除重建。

佛寺水庫溢洪道為開敞式，位于主壩右岸，主要包括進水渠、控制段、泄槽、差動式挑流鼻坎、沖刷坑及出水渠?？刂贫尾捎瞄_敞式溢流堰，為WES實用堰，堰頂高程136.00m，堰高1.0m；閘室長16m，寬45.3m，按4孔布置，單孔寬9.0m，閘頂高程148.66m；各孔設(shè)平板工作閘門(9.0m×4.5m)和檢修閘門(9.0m×5.5m)，工作閘門設(shè)計擋水水位為140.00m，閘后設(shè)漸變段，長42.0m，縱坡0.02，詳見圖1。

圖1 溢洪道平面布置示意

2 溢流堰設(shè)計泄流能力計算

本工程溢流堰原型設(shè)計泄流能力主要依據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL253—2000)中開敞式WES型實用堰泄流能力經(jīng)驗公式計算，其中流量系數(shù)m、上游堰面坡度影響修正系數(shù)c、中墩形狀系數(shù)ζ0、邊墩形狀系數(shù)ζk、淹沒系數(shù)σs等根據(jù)經(jīng)驗確定，詳見公式(1)和公式(2)。經(jīng)計算，設(shè)計洪水位時，溢流堰最大泄量為1492.43m3/s，校核洪水位時，最大泄量為2634.49m3/s。不同靜水位泄流量詳見表1。

(1)

(2)

式中Q——流量，m3/s；

B——溢流堰總凈寬，m；

b——單孔寬度，m；

n——閘孔數(shù)目；

H0——計入行進流速的堰上總水頭，m；

m——流量系數(shù)，查流量系數(shù)表確定；

c——上游堰面坡度影響修正系數(shù)，取1.0；

ε—閘墩側(cè)收縮系數(shù)；

ζ0——中墩形狀系數(shù)，取0.45；

ζk——邊墩形狀系數(shù)，取0.7；

σs——淹沒系數(shù)。

3 物理模型試驗方案

為使模型與原型的物理量和物理現(xiàn)象保持相似，按照水工模型試驗相似準(zhǔn)則要求，本試驗選用整體模型，采用正態(tài)恒定流模擬。模擬原型范圍：縱向長度1200m，其中主壩軸線以上550m，以下650m，橫向?qū)挾?260m，地形高程123.11～167.97m。模型地形高程誤差±2mm，建筑物高程誤差-0.05～0.1mm，符合《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》(SL/T155—2012)中相關(guān)規(guī)定。

依據(jù)重力相似準(zhǔn)則及原型設(shè)計最大泄量，并結(jié)合試驗場地和設(shè)備供水能力，確定本試驗長度比尺Lr為50，其他物理量比尺見下頁表2。

4 物理模型試驗成果分析

4.1 庫區(qū)靜水位和溢流堰泄流量關(guān)系

為保證觀測成果精度，本次試驗按流量劃分為17組進行觀測，庫區(qū)靜水位(Z)和溢流堰泄流量(Q)觀測成果，詳見表3。經(jīng)回歸分析，得出Z～Q回歸方程，方程確定系數(shù)為0.9992，接近于1，說明擬合優(yōu)度較高，詳見公式(3)。Z～Q回歸方程：

Z=-0.00000051Q2+ 0.00539266Q+ 137.17 (3)

4.2 綜合流量系數(shù)分析

根據(jù)原型設(shè)計和試驗觀測成果分析計算，溢流堰綜合流量系數(shù)隨著水位的降低和流量的減小而增大，綜合流量系數(shù)變化范圍在0.401～0.428區(qū)間，其中溢流堰泄量1492.43m3/s時，綜合流量系數(shù)為0.407。綜合流量系數(shù)按公式(4)推求。

(4)

式中m——綜合流量系數(shù)(含側(cè)收縮系數(shù)、淹沒系數(shù)及流量系數(shù))；

Q——流量，m3/s；

B——閘室凈寬，取36m；

H——堰上水頭。

5 物理模型試驗值與設(shè)計值對比分析

根據(jù)本次試驗成果，當(dāng)設(shè)計洪水水位143.82m時，溢流堰泄流能力為1314.95m3/s，小于設(shè)計值1492.43m3/s，試驗值與設(shè)計值相差-11.89%；當(dāng)校核洪水水位147.83m時，溢流堰泄流能力為2499.52m3/s，小于設(shè)計值2634.49m3/s，試驗值與設(shè)計值相差-5.12%。詳見表4和圖2。

表4 遼寧省佛寺水庫溢流堰泄流量物理模型試驗值與設(shè)計值對比分析

圖2 試驗值與設(shè)計值Z～Q關(guān)系曲線對比

6 泄流能力不足原因分析及解決方案

根據(jù)能量守恒定律、佛寺水庫溢洪道布置以及試驗觀測成果，造成佛寺水庫溢流堰泄流能力不足原因主要有：?溢流堰設(shè)計尺寸略有不足。根據(jù)公式(1)和公式(2)可知，溢流堰總凈寬(B)和堰上總水頭(H0)是影響泄流能力的主導(dǎo)因子。佛寺水庫共設(shè)4個溢流孔，單孔寬度為9.0m，總凈寬為36.0m，堰高1m。工程設(shè)計中適當(dāng)增加溢流堰凈寬或降低溢流堰高度，可提高泄流能力。?溢洪道進水渠水流不均勻。受自然條件影響，佛寺水庫溢洪道進水渠左右岸不對稱，進水渠左、右岸易產(chǎn)生離散水流，且隨著流量增加，離散愈加劇烈，并在進水渠左岸伴隨產(chǎn)生明顯的水位降落現(xiàn)象，右岸產(chǎn)生壅水現(xiàn)象。試驗表明：當(dāng)836.0m3/s≤Q≤1590.99m3/s時，進水渠左側(cè)圓弧段產(chǎn)生離散水流，右側(cè)水流條件較好；當(dāng)1590.99m3/s

7 結(jié) 語

通過建立物理模型并進行觀測分析，佛寺水庫溢流堰在設(shè)計洪水水位143.82m時，泄流能力為1314.95m3/s，在校核洪水水位147.83m時，泄流能力為2499.52m3/s，綜合流量系數(shù)變化范圍為0.401～0.428。不同洪水位，溢流堰泄流能力試驗值均小于設(shè)計值，泄流能力未達(dá)到設(shè)計值，其原因主要為溢流堰設(shè)計尺寸略有不足，進水渠兩岸離散水流和右側(cè)壅水較為嚴(yán)重，導(dǎo)致流量系數(shù)偏小，溢流能力下降。工程設(shè)計中，可采取適當(dāng)增加溢流堰凈寬或降低溢流堰高度、優(yōu)化和改進進水渠型式，改善水流條件等措施提高泄流能力。