巴木墩水庫(kù)溢洪道的水工模型試驗(yàn)分析

蔡寶柱，張勝東

（新建兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

1 試驗(yàn)工作規(guī)劃

巴木墩水庫(kù)工程位于巴木墩河出山口，該工程為巴木墩河上的山區(qū)控制性工程，水庫(kù)承擔(dān)下游農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水的調(diào)節(jié)任務(wù)。水庫(kù)的修建，可實(shí)現(xiàn)地表水資源的合理配置和高效利用，有效調(diào)節(jié)年內(nèi)水量，提高灌溉供水保證率，保障社會(huì)穩(wěn)定，促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展具有十分重要的意義。其中溢洪道位于左壩肩，為岸邊開(kāi)敞式側(cè)堰溢洪道，堰型為無(wú)閘側(cè)槽WES堰，堰寬40 m。溢洪道由側(cè)堰段、控制段、泄槽段、消能段四部分組成，全長(zhǎng)450.17 m（水平投影長(zhǎng)度）。

試驗(yàn)工作主要分為三個(gè)階段。

（1）按照設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)方案，對(duì)無(wú)閘溢洪道進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證，觀察設(shè)計(jì)方案整體布置的合理性，并對(duì)特征水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，提交原設(shè)計(jì)方案體型模型試驗(yàn)中間成果。然后通過(guò)和業(yè)主及設(shè)計(jì)單位討論溝通，提出修改優(yōu)化方案。

（2）根據(jù)討論意見(jiàn)，對(duì)體型進(jìn)行修改和優(yōu)化，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)觀察論證，提出適合本工程的推薦體型方案。

（3）對(duì)推薦的體型進(jìn)行全面測(cè)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)，也為工程的運(yùn)行提供參考。

2 模型設(shè)計(jì)與制作

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，考慮模型試驗(yàn)的任務(wù)要求，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地等條件，采用比尺Lr=70。流量比尺Qr=Lr5/2=40996.3；流速比尺Vr=Lr1/2=8.367；時(shí)間比尺Tr=Lr1/2=8.367；糙率比尺Nr=Lr1/6=2.030。模型泄水建筑物采用有機(jī)玻璃制作，滿足糙率相似。模型圖見(jiàn)圖1。

圖1 巴木墩溢洪道水工模型布置圖

對(duì)溢洪道下游出口河床沙粒徑的選擇，從大壩軸線向下游到達(dá)提供地形圖的邊界處，河道平均比降約5%，屬于山區(qū)河道，當(dāng)河道行洪時(shí)，按照經(jīng)驗(yàn)，其河道流速應(yīng)該在6 m/s左右，如果按照該流速控制，再按伊茲巴什公式：

式中：V為河床基巖抗沖流速，m/s；K為巖性系數(shù)，一般為5～7；D為河床基巖當(dāng)量料徑，m。

計(jì)算得到?jīng)_刷料的當(dāng)量料徑D的范圍在1.00 m～1.96 m（模型1.40 cm～2.80 cm），實(shí)際采用1.00 cm～2.50 cm。

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)是根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的設(shè)計(jì)圖紙，按照模型比尺1∶70 進(jìn)行模型的加工制作。

3.1 庫(kù)水位～流量關(guān)系

試驗(yàn)首先對(duì)原設(shè)計(jì)方案的庫(kù)水位～流量關(guān)系進(jìn)行率定，特征水位對(duì)應(yīng)流量見(jiàn)表1。

表1 側(cè)堰特征水位實(shí)測(cè)流量表

由于該工程的側(cè)堰堰型為實(shí)用堰，故按照實(shí)用堰的流量系數(shù)公式：

式中：m為堰流綜合流量系數(shù)；Q為泄洪流量，m3/s；B為堰面過(guò)水寬度，本工程為40 m；H為堰上水頭，m。

計(jì)算得到模型實(shí)測(cè)的校核洪水位流量系數(shù)為0.466，設(shè)計(jì)洪水位的流量系數(shù)為0.434，與類似工程對(duì)比，該系數(shù)在合理范圍內(nèi)。

從模型實(shí)測(cè)的校核洪水位工況看，其實(shí)測(cè)最大泄洪流量535.74 m3/s，滿足設(shè)計(jì)要求的484.00 m3/s，并且超過(guò)設(shè)計(jì)要求流量的10.69%；設(shè)計(jì)洪水位工況的實(shí)測(cè)流量為230.61 m3/s，大于設(shè)計(jì)流量222.60 m3/s，超出3.60%。因此，設(shè)計(jì)側(cè)槽溢洪道的泄流能力滿足要求，并且有足夠的超泄余量。

3.2 校核洪水位流態(tài)

試驗(yàn)對(duì)庫(kù)水位為校核洪水位1546.48 m，對(duì)應(yīng)模型實(shí)測(cè)泄流量為535.74 m3/s運(yùn)行工況流態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的觀察。從進(jìn)口側(cè)堰水流看，整體流態(tài)良好，在側(cè)堰上、下游側(cè)墻處，受側(cè)墻邊界影響，形成了水流繞流現(xiàn)象，對(duì)側(cè)堰的過(guò)流能力有一定的影響。水流進(jìn)入側(cè)槽內(nèi)，受側(cè)槽溢流堰體型特點(diǎn)限制，側(cè)槽內(nèi)流量沿程增加，并形成螺旋水流流態(tài)，水流在溢流堰對(duì)面檔墻平均爬高9 m～11 m，沒(méi)有超過(guò)擋墻頂高程1547.50 m。其他運(yùn)行工況的流量均小于該流量，水流爬高也就低于該工況，不會(huì)出現(xiàn)側(cè)槽段邊墻高度不足的情況，因此側(cè)槽體型設(shè)計(jì)合理。

對(duì)調(diào)整段、漸變段以及拋物線段來(lái)說(shuō)，校核洪水位運(yùn)行工況，其水流流態(tài)較為理想，其中水流在控制段內(nèi)從螺旋水流向平順均勻流轉(zhuǎn)變過(guò)渡沒(méi)有完成，然后在漸變段繼續(xù)調(diào)整流態(tài)，同時(shí)水流從12 m寬轉(zhuǎn)換為10 m寬的矩形泄槽，到達(dá)漸變段末端水流基本調(diào)整到位，并進(jìn)入拋物線段?？偟膩?lái)說(shuō)，該區(qū)段水流過(guò)渡順暢，水面沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)邊墻頂，設(shè)計(jì)邊墻高度滿足過(guò)流要求。

對(duì)臺(tái)階段來(lái)說(shuō)，由于臺(tái)階上游水流摻氣不充分，模型觀察到從第1 個(gè)臺(tái)階到第50 個(gè)臺(tái)階的水流清亮透明，從第51 個(gè)到達(dá)第80 個(gè)臺(tái)階為過(guò)渡區(qū)，水流從透明逐漸變?yōu)槿榘咨?0 個(gè)臺(tái)階向下?lián)綒獬浞?，全部為乳白色水流，說(shuō)明自然摻氣良好，并且全段水面沒(méi)有超過(guò)臺(tái)階段邊墻。

消力池內(nèi)的消能水流沒(méi)有形成完全意義上的底流消能水流流態(tài)，也就是說(shuō)沒(méi)有形成穩(wěn)定的躍后水面，水流在消力池末端受到尾坎的制約，水流沖擊尾坎，形成沖擊水躍，消力池尾坎水流翻滾強(qiáng)烈，平均水面高度在1418.50 m左右，超過(guò)消力池側(cè)墻頂1417.42 m約1.1 m，波浪最高點(diǎn)超過(guò)墻頂更高，必須對(duì)消力池進(jìn)行修改優(yōu)化。

海漫段水流擴(kuò)散良好，海漫出口平均流速6 m/s左右，不會(huì)對(duì)下游河道產(chǎn)生太大的沖刷。

3.3 沿程水面線

試驗(yàn)對(duì)原設(shè)計(jì)方案校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位兩工況的沿程水面線進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，整個(gè)沿程水面沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)邊墻高度，并且有一定的超高余量，說(shuō)明整個(gè)設(shè)計(jì)體型基本滿足泄流要求?？紤]到側(cè)槽下游的控制段、收縮段以及拋物線段的水流流態(tài)復(fù)雜，加之有可能在拋物線末端增加摻氣坎，所以拋物線段應(yīng)有足夠的邊墻超高，具體數(shù)據(jù)等摻氣坎設(shè)置完成后，按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)再做調(diào)整。

對(duì)設(shè)計(jì)洪水位工況，由于流量小于校核工況，整個(gè)水面線均低于校核工況。特別對(duì)消力池來(lái)說(shuō)，由于流量變小，單寬流量也相應(yīng)變小，此時(shí)臺(tái)階消能比校核工況充分，因此在消力池形成較為良好的底流消能流態(tài)，并且水面高度沒(méi)有超過(guò)邊墻高度，消力池完全滿足設(shè)計(jì)洪水位工況的消能要求，其流態(tài)良好。

3.4 沿程壓強(qiáng)分布

通過(guò)對(duì)校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位兩工況沿程壓強(qiáng)的測(cè)驗(yàn)，唯一測(cè)到的一個(gè)負(fù)壓出現(xiàn)在設(shè)計(jì)洪水位工況，堰面下游的4#測(cè)壓位置，其值為-0.06×9.8 kPa，可以認(rèn)為其壓強(qiáng)接近零，其余壓強(qiáng)均大于此值。由于臺(tái)階流態(tài)復(fù)雜，臺(tái)階壓強(qiáng)分布變化與測(cè)點(diǎn)位置關(guān)系密切，從試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)到的壓強(qiáng)值看，其最小壓強(qiáng)為校核洪水位工況的第112#臺(tái)階的27#測(cè)壓管，其壓強(qiáng)值-0.28×9.8 kPa，絕對(duì)量值不大，沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范范圍，壓強(qiáng)分布合理。

3.5 沿程流速分布

通過(guò)對(duì)兩個(gè)特征運(yùn)行工況的沿程流速的測(cè)驗(yàn)，流速沿程分布合理，沒(méi)有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。其中校核洪水位工況，堰頂測(cè)驗(yàn)到的最大流速6.66 m/s，堰面3#測(cè)壓位置的流速約8.71 m/s，在側(cè)槽內(nèi)水流為螺旋流，測(cè)驗(yàn)到的橫向流速3.99 m/s。隨著水流的下泄，流速沿程逐漸增加，其中30#臺(tái)階處測(cè)驗(yàn)斷面流速最大，底流速高達(dá)26.20 m/s，然后隨水流下泄，流速開(kāi)始變小，到120#臺(tái)階處，測(cè)驗(yàn)的流速為17.37 m/s，原因是隨著水流的下泄，自然摻氣明顯，水深增加，表現(xiàn)為乳白色的水流流態(tài)，并且摻氣后的水流為氣液兩相混合流，該流體對(duì)流速儀的測(cè)驗(yàn)也略有影響，因此流速變小。

對(duì)設(shè)計(jì)洪水位工況來(lái)說(shuō)，由于其下泄流量小于校核工況，總體來(lái)說(shuō)，沿程流速也相應(yīng)變小，從溢洪道上游到下游河道段，其中臺(tái)階段最大流速為9#臺(tái)階的16.20 m/s，消力池底流速最大11.94 m/s，下游河道流速基本小于5 m/s，河道的模型床沙基本沒(méi)有沖坑出現(xiàn)。

3.6 臺(tái)階消能率分析

為了更好的了解本工程臺(tái)階消能的效果，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)資料，對(duì)臺(tái)階的消能率進(jìn)行相應(yīng)的分析研究。一般認(rèn)為，臺(tái)階面的消能形式通常是通過(guò)兩種不同形式的水流形態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)消能的，在小流量情況下，臺(tái)階面水流呈舌狀跌落水流，薄層水流從上一個(gè)臺(tái)階跌落到下一個(gè)臺(tái)階，通過(guò)和臺(tái)階水平面的撞擊及水流紊動(dòng)而消除能量，如此重復(fù)的再向下一個(gè)臺(tái)階傳下去，如此重復(fù)跌落，消除能量，該流態(tài)的臺(tái)階面消能率最高；隨著流量的不斷增大，從臺(tái)階頂部射出的流速逐漸增大，舌狀跌落水流向滑移水流轉(zhuǎn)化，在臺(tái)階面滑移流條件下，水流的能量主要通過(guò)水流在臺(tái)階面上的裂散摻氣以及主流和底部漩渦之間的紊動(dòng)交換實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)臺(tái)階面消能率的計(jì)算方法各有不同，計(jì)算的結(jié)果也有差異。這里采用如下方法來(lái)進(jìn)行臺(tái)階消能率的計(jì)算，在臺(tái)階起點(diǎn)（拋物線末端）0+028.67 處選取計(jì)算起始1-1 斷面作為上游計(jì)算斷面。對(duì)下游斷面的選取，考慮到各個(gè)工況臺(tái)階與消力池的流態(tài)銜接，因此在臺(tái)階末端（消力池上游）的第120 號(hào)臺(tái)階0+268.67 處選取計(jì)算末端斷面2-2 斷面來(lái)對(duì)臺(tái)階段進(jìn)行臺(tái)階段消能率的計(jì)算，其中1-1 斷面為拋物線末點(diǎn)，渠底高程1530.415 m；2-2 斷面為臺(tái)階段下泄水流在消力池的潛入點(diǎn)上游穩(wěn)定處（第120 個(gè)臺(tái)階處），臺(tái)階面高程1410.415 m，并以此斷面做為計(jì)算基準(zhǔn)面。對(duì)兩個(gè)特征洪水位運(yùn)行工況的臺(tái)階面消能率進(jìn)行分析研究，并且定義消能率計(jì)算公式如下：

式中：E1為上游計(jì)算起始斷面的總能量，E2為下游計(jì)算斷面的總能量，分別為上、下游斷面的底部相對(duì)高程，m；h1、h2分別為上、下游斷面的平均水深，m；v1、v2分別為上下游斷面的平均流速，m/s。

通過(guò)對(duì)兩個(gè)不同工況對(duì)應(yīng)流量的試驗(yàn)，按照試驗(yàn)實(shí)際測(cè)驗(yàn)的斷面平均水深，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的斷面平均流速，得到兩個(gè)不同泄流量臺(tái)階面的消能率結(jié)果列入表2。

表2 臺(tái)階消能率計(jì)算匯總表

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案流量率定，沿程水面線以及壓強(qiáng)的測(cè)驗(yàn)，從測(cè)驗(yàn)的結(jié)果及流態(tài)觀察情況看，可以初步得到以下結(jié)論：①巴木墩水庫(kù)溢洪道整體布置合理，進(jìn)口流態(tài)基本良好；②校核洪水位工況最大泄流量535.74 m3/s，滿足設(shè)計(jì)要求的484.00 m3/s，且超泄10.69%，進(jìn)口體型尺寸設(shè)置合理；③設(shè)計(jì)洪水位工況模型實(shí)測(cè)流量為230.61 m3/s，略大于設(shè)計(jì)流量222.60 m3/s，差值為3.60%，說(shuō)明設(shè)計(jì)計(jì)算基本正確，參數(shù)選擇合理；④臺(tái)階消能率校核洪水位工況為83.26%，設(shè)計(jì)洪水位工況為89.72%，消能效果非常明顯；⑤消力池在校核洪水位運(yùn)行工況，沒(méi)有形成底流消能水流流態(tài)，且消力池末端水面超過(guò)邊墻高度，應(yīng)對(duì)消力池進(jìn)行必要的優(yōu)化，以滿足泄洪消能要求；⑥由于臺(tái)階水流流態(tài)復(fù)雜，為了避免臺(tái)階局部負(fù)壓引起水流空化，試驗(yàn)將在臺(tái)階起點(diǎn)設(shè)置摻氣設(shè)施，達(dá)到摻氣減蝕的目的；⑦各運(yùn)行工況，溢洪道下游海漫與自然河道水流銜接良好，不會(huì)對(duì)河道產(chǎn)生大的沖刷。