側(cè)槽式溢洪道水力特性模型試驗研究

杜躍亭 葉 龍1 宋炳忠

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020)

側(cè)槽溢洪道是一種傍山開挖的泄水建筑物，宜修建在山坡較陡，又無足夠場地來修建正槽溢洪道的場所[1]。溢洪道泄洪時受側(cè)槽長度、寬度、底高程、底坡降等多因素影響，槽內(nèi)水動力條件復(fù)雜，容易形成不良水流形態(tài)，可能會對行洪安全帶來不利影響。從流體力學(xué)角度看，在較高流速條件下，變坡容易導(dǎo)致水流脫離泄槽底板，并在下游側(cè)形成空腔，引發(fā)汽蝕。參照相關(guān)計算公式[2]，泄槽末端及挑流鼻坎附近流速可達(dá)30m/s以上，極易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，影響建筑物壽命及工程運(yùn)行安全。

為確保工程安全，有必要通過水工模型試驗，對溢洪道的泄槽規(guī)模、平面布置、下游消能等各項水力學(xué)問題開展研究，提出適合本工程的最佳泄洪方式，為同類型的工程設(shè)計提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 工程概況

景寧縣金村水庫壩高超過90m，泄洪水頭差大，現(xiàn)狀地形復(fù)雜，同時壩址處山谷狹長，屬于典型的“峽谷型”水庫。工程由擋水建筑物、泄水建筑物、輸水系統(tǒng)(進(jìn)水口、隧洞及壓力管道)、放水建筑物(生態(tài)放空管)等組成。

擋水建筑物采用混凝土面板堆石壩，水庫正常蓄水位318.00m，正常庫容773.8萬m3；校核洪水位322.18m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)1000年一遇，總庫容905.4萬m3，本工程等別為Ⅳ等，水庫為小(1)型水庫。鑒于水庫攔河壩采用混凝土面板堆石壩，壩高超過90m，本次設(shè)計將攔河壩建筑物級別提高一級，按3級建筑物設(shè)計[3]。

泄水建筑物緊靠堆石壩左壩端布置，擬采用側(cè)槽式溢洪道，為正堰與側(cè)堰相結(jié)合的“L”形布置，側(cè)槽式溢洪道由側(cè)槽段、控制段、漸變段、泄槽段和挑流消能段5部分組成。初擬側(cè)槽起始斷面底寬6.0m，側(cè)堰長度38.5m，正堰長度15.5m，堰總長54m，正堰與側(cè)堰夾角為90°，控制段長30m，比降0.03，調(diào)整段長度20m。溢洪道100年一遇校核洪水洪峰流量522m3/s，50年一遇設(shè)計洪峰流量328m3/s，30年一遇消能設(shè)計流量300m3/s。

輸水系統(tǒng)位于水庫左側(cè)，進(jìn)水口布置在壩址上游左岸，總長10.0km，隧洞全長9.2km、壓力管道0.8km。

放水建筑物由生態(tài)放空管與導(dǎo)流隧洞組成，導(dǎo)流隧洞采用城門洞形，洞高5m，洞寬4.0m，隧洞長度248.0m；導(dǎo)流放空管埋設(shè)在導(dǎo)流隧洞內(nèi)，采用直徑為0.8m的鋼管。水庫工程總平面布置見圖1。

圖1 水庫工程總平面布置圖

2 水工模型試驗設(shè)計

2.1 水流運(yùn)動相似

根據(jù)相關(guān)要求[4-6]，考慮研究對象特點、研究目的及內(nèi)容，結(jié)合模型流量、水深、流速及相似率等相關(guān)水力參數(shù)，模型幾何比尺定為1∶40，按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，見式(1)。

(1)

式中v——水流速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

h——水深，m；

Fr——弗勞德數(shù)。

有關(guān)物理量的比尺換算關(guān)系見表1。

表1 相關(guān)模型比尺

2.2 模型范圍

模型上游庫區(qū)模擬至壩軸線以上200m附近，模擬的建筑物包括大壩(鄰近溢洪道部分的上游面)、溢洪道側(cè)堰及其堰前地形等；模型下游則模擬至溢洪道出口以下350m附近河道，包含了泄槽段、挑流鼻坎或消力池以及護(hù)坦段等關(guān)鍵建筑物。模型整體長約20m，寬約5m，高約2.6m。

本次試驗觀測內(nèi)容包括流量、流速分布和流態(tài)、上下游水位、沿程水深和壓力、摻氣量、摻氣濃度等，通過對以上因素的觀測、對比與分析，為工程比選出最為適合的溢洪道布置方案。

3 原模型試驗方案

3.1 方案布置

溢流堰布置方案設(shè)置見表2，“L”形和“I”形堰平面布置見圖2～圖3。

表2 溢流堰布置方案設(shè)置

圖2 “L”形溢洪道方案注 圖中單位高程、樁號以m計，其他以cm計，余同

圖3 “I”形堰平面布置

3.2 泄流能力

溢洪道進(jìn)口采用開敞式溢流堰，其型式為WES實用堰，泄流能力按堰流公式計算：

式中Q——下泄流量,m3/s；

σc——側(cè)收縮系數(shù)，取1.0；

m——流量系數(shù)，保守計取0.46；

B——溢流堰凈寬,m，計算時以側(cè)槽控制段長度30m計；

H0——堰上水頭,m。

試驗量測了“L”形堰及“I”形堰兩種布置方案在不同水位下的泄流能力，其水位流量關(guān)系成果見表3。

總體來說，通過對設(shè)計數(shù)位的控制，兩種布置方案的實測泄流能力均超過了設(shè)計計算值，其中“L”形堰方案富余量明顯超過“I”形堰方案，后者則與設(shè)計值相對較為接近?？紤]“L”形堰方案泄流能力較設(shè)計值富余甚多，若按該水位進(jìn)行控制并開展試驗，得到的試驗成果對于下階段設(shè)計和今后控制運(yùn)行的參考意義不大，經(jīng)過討論，“L”形堰方案的上游控制條件采用設(shè)計計算的下泄流量值。而“I”形堰方案的試驗泄流能力與設(shè)計值較為接近，上游邊界條件仍按試驗實測的流量進(jìn)行控制，試驗工況見表4，本文以下所述的水流流態(tài)及流速分布、泄槽壓力值、消能試驗均采用該表格參數(shù)。

表3 不同工況泄流能力比較

表4 模型試驗工況

3.3 側(cè)槽水流流態(tài)及流速分布

試驗對“L”形堰和“I”形堰方案的校核(P=0.1%)、設(shè)計(P=2%)、消能(P=3.3%)及5年一遇(P=20%)四組工況的沿程水流流態(tài)及流速分布進(jìn)行了觀測，通過分別對溢流堰段、調(diào)整段、泄槽段進(jìn)行分析，兩種溢洪道方案的沿程流態(tài)和流速分布主要具有以下特點：

a.校核工況時，“L”形堰方案槽首斷面的淹沒度為0.63，側(cè)槽方案首端斷面的淹沒度為0.83，均超過規(guī)范要求的0.5；其次，“L”形堰方案在下泄設(shè)計工況以下流量時，出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式急流流態(tài)，與規(guī)范要求的“槽內(nèi)應(yīng)為緩流，側(cè)槽內(nèi)不得產(chǎn)生水躍”不符，因此，兩種方案均不符合規(guī)范要求，側(cè)槽內(nèi)流態(tài)見圖4。

圖4 消能工況側(cè)槽水流流態(tài)

b. “I”形溢流堰方案水流漩滾影響范圍及左岸邊墻的水位爬高明顯大于“L”形堰方案，其中“L”形方案最遠(yuǎn)影響至調(diào)整段末端Y0+050.0，而側(cè)槽方案可至陡槽段的Y0+070.0位置。至泄槽下游段后，兩組方案的流速分布均趨于均勻，槽內(nèi)無明顯沖擊波及折沖水流出現(xiàn)，斷面水深分布也較均勻，槽末斷面最大流速達(dá)到30m/s以上。因此，從水流流態(tài)及流速分布上看，“L”形堰及“I”形堰方案均不滿足規(guī)范要求，經(jīng)初步分析，筆者認(rèn)為主要原因為側(cè)槽深度或?qū)挾炔蛔?，從而?dǎo)致槽內(nèi)產(chǎn)生急流段或淹沒出流。從泄水建筑物的安全方面考慮，初步選定“L”形側(cè)槽溢流堰方案為推薦方案。

3.4 泄槽壓力值分布

為了解陡槽在高速水流影響下是否會產(chǎn)生負(fù)壓和汽蝕破壞，試驗在挑流方案的陡槽中心線上布置了11個測壓孔，測壓孔位置布置詳見表5，泄槽沿程水壓力詳見圖5。

表5 測壓孔位置

圖5 溢洪道泄槽沿程水壓力

圖6 溢洪道泄槽沿程空化系數(shù)

由圖5、6表明，溢洪道泄槽沿程水壓力隨庫區(qū)水位的增加而逐漸增加，并在挑流鼻坎最低點(測點10)出現(xiàn)極值；在不同工況下，泄槽沿程空化數(shù)約為0.20～4.71，而溢洪道按不平整度控制的初生空化數(shù)為0.32，因此樁號Y0+138.90和樁號Y0+171.60均有可能產(chǎn)生空化及汽蝕破壞。建議在陡槽樁號Y0+138.90以下位置上加設(shè)摻氣等設(shè)施，或者采用特殊材料并嚴(yán)格控制溢洪道不平整度，以防止空化汽蝕發(fā)生。

4 結(jié) 語

借助于室內(nèi)水工模型試驗，通過對溢洪道泄流能力、水流流態(tài)、泄槽沿程壓力分布及消能工型式等方面的分析，原布置方案主要存在以下問題：

a.側(cè)槽內(nèi)底板高程過高，校核工況時，“L”形堰及“I”形堰方案槽首斷面的淹沒度均超出規(guī)范要求。

b.正堰來流量過大，側(cè)堰與正堰來流頂托作用過強(qiáng)致使調(diào)整段末端水面翻滾劇烈，流態(tài)紊亂。

c.泄槽段水流空化數(shù)普遍低于規(guī)范要求，泄槽表面易產(chǎn)生汽蝕破壞。

d.挑流消能時部分水舌砸落在下游河道的左岸岸坡，并沿山體爬高，容易影響附近山體穩(wěn)定。

針對上述問題，經(jīng)過文獻(xiàn)查詢和向相關(guān)專家咨詢，在溢流堰仍采用正堰與側(cè)堰相結(jié)合的“L”形堰布置形式。消能方式在采用挑流消能方式的基礎(chǔ)上，對側(cè)堰與正堰的布設(shè)、側(cè)槽深度及摻氣減飾等方面進(jìn)行如下優(yōu)化：

a.通過降低側(cè)槽底板高程，優(yōu)化溢流堰布置型式和尺寸，降低側(cè)槽首端斷面淹沒度并改善側(cè)槽內(nèi)水流流態(tài)。

b.通過增加調(diào)整段的長度或設(shè)置底坎等方式，優(yōu)化調(diào)整段末端流態(tài)。

c.通過增加摻氣減蝕設(shè)施，解決泄槽段空化數(shù)過低問題。

d.為節(jié)約時間，優(yōu)化試驗方案，首先采用Flow3D三維數(shù)值模擬軟件對溢流堰布置進(jìn)行了多方案比較，通過數(shù)值模擬，比選出推薦方案，然后進(jìn)一步通過物理模型進(jìn)行驗證。