除險(xiǎn)加固水庫新建溢洪道水力模型試驗(yàn)研究

史 明

（額敏縣水利管理總站，新疆 額敏 834600）

1 引言

目前，我國(guó)已經(jīng)建成水庫8 萬多座，其中大型水庫有500多座，位居世界首位。水庫在防洪、發(fā)電、供水和灌溉方面起著重要的作用，對(duì)我國(guó)的環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了顯著的效益，也明顯加快了我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展步調(diào)[1]。我國(guó)水庫主要建設(shè)于上個(gè)世紀(jì)60 年代前后，受到建設(shè)期經(jīng)濟(jì)的制約和技術(shù)的限制，這些水庫基本都存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、整體施工質(zhì)量差等現(xiàn)象，且在近半個(gè)世紀(jì)的運(yùn)行中存在管理手段相對(duì)落后、維護(hù)與更新力度不足，缺乏專業(yè)的技術(shù)人員等因素，導(dǎo)致水庫年老失修問題嚴(yán)重，其中部分水庫處于“帶病”運(yùn)行狀態(tài)，存在一定的潛在危險(xiǎn)[2]。因此，針對(duì)“帶病”水庫的除險(xiǎn)加固研究顯得格外重要，“帶病”水庫的除險(xiǎn)加固可以增強(qiáng)水庫的儲(chǔ)備的調(diào)度能力，加強(qiáng)水庫的防洪功能，最大限度的發(fā)揮水庫的綜合效益[3]。同時(shí)，水庫的除險(xiǎn)加固還能消除水庫的安全隱患，避免水庫出現(xiàn)潰壩等嚴(yán)重危害人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全等事件的發(fā)生[4]。

近些年來，針對(duì)水庫除險(xiǎn)加固的研究越來越多，研究主要集中于水庫危險(xiǎn)性程度的鑒定[5]、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法[6]、加固理論和效果[7]等方面。以上研究對(duì)于及時(shí)評(píng)價(jià)水庫危險(xiǎn)性、采取合理的監(jiān)控手段、采取相應(yīng)的處理措施、進(jìn)行水庫處理效果評(píng)價(jià)有非常重要的意義。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示[8-10]，水庫因?yàn)樾购槟芰Σ蛔愣鴮?dǎo)致的漫頂為潰壩的主要模式。因此，針對(duì)水庫除險(xiǎn)加固處理過程中溢洪道修建顯得格外重要，以此來增加水庫防洪、調(diào)度能力，降低水庫潛在威脅。隨著水力模型試驗(yàn)的日趨成熟與完善，使得水工建筑物水力特征的研究更為完善，對(duì)水工建筑物的評(píng)價(jià)更為科學(xué)，利用水力模型試驗(yàn)研究，能夠直觀預(yù)測(cè)除險(xiǎn)加固效果，準(zhǔn)確對(duì)除險(xiǎn)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 工程背景及試驗(yàn)參數(shù)

2.1 工程背景

選定西部山區(qū)某水庫進(jìn)行研究，水庫流域控制面積292 km2，水庫總庫容1.93 億m3，是一座以防洪灌溉為主的大（2）型水利樞紐。水庫修建于上世紀(jì)60 年代，限于當(dāng)時(shí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、施工技術(shù)差，水庫建設(shè)完成后數(shù)十年經(jīng)過多次修繕，修繕后水庫依然存在部分質(zhì)量問題，表現(xiàn)為明顯的泄流能力不足，安全隱患嚴(yán)重。在20 世紀(jì)初，水利部對(duì)國(guó)內(nèi)水庫運(yùn)行情況進(jìn)行鑒定時(shí)，將該水庫劃定性為重點(diǎn)危險(xiǎn)水庫。針對(duì)該水庫的除險(xiǎn)加固包括大壩加固、溢洪道重建、輸水隧洞防滲漏處理等工作，本文對(duì)水庫除險(xiǎn)加固中的新建溢洪道進(jìn)行研究。

新建溢洪道主要包括引渠段、控制段、陡坡段、一級(jí)消力池、泄槽段、二級(jí)消力池及尾水渠段，總長(zhǎng)683 m，其中新建溢洪道各段分段號(hào)及技術(shù)參數(shù)見表1。

新建溢洪道段內(nèi)設(shè)置有2 個(gè)彎道，其中1#彎道樁號(hào)為0+096～0+243，彎道中心線半徑210 m。2#彎道樁號(hào) 0+406～0+426，中心線彎道半徑227.4 m。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

溢洪道水流主要受重力作用，因此對(duì)新建溢洪道水力模型宜采用重力相似原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證水流流態(tài)和集合邊界條件相似。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，確定模型幾何比例λL=50，模型水力參數(shù)見表2。

表2 模型水力參數(shù)

水力模型制作材料使用有機(jī)玻璃，新建溢洪道運(yùn)行工況分別為考慮50 年一遇洪水、100 年一遇洪水和2000 年一遇洪水，對(duì)應(yīng)水庫上游水位和河道下游水位分別為156.17 m/134.05 m、157.50 m/134.653 m 和 160.34 m/135.148 m。利用 DJ800 數(shù)據(jù)采集儀對(duì)溢洪道水力模型進(jìn)行全階段底部壓力監(jiān)測(cè)，并在尾水渠處安裝旋漿流速儀，全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。水力模型試驗(yàn)圖見圖2。

圖2 新建溢洪道水力模型

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 溢洪道底部壓強(qiáng)特征

依據(jù)壓力傳感器監(jiān)測(cè)不同工況下溢洪道水力模型沿程壓強(qiáng)分布，不同工況下溢洪道水利模型底部壓強(qiáng)分布規(guī)律相似，選定工況為2000 年一遇洪水時(shí)溢洪道底部沿程壓強(qiáng)分布，見圖3。

圖3 2000 年一遇洪水溢洪道底部沿程壓強(qiáng)分布圖

由圖3 可以得出，新建溢洪道底部壓強(qiáng)在溢洪道不同部位差異較大，壓強(qiáng)大小基本與溢洪道水深保持一致。其中，溢洪道底部壓強(qiáng)最大部位主要出現(xiàn)在一級(jí)消力池和二級(jí)消力池，主要原因?yàn)橄Τ卦谝绾榈乐衅鹬芙邓俚淖饔茫韵Τ匾话阈枰蛳麻_挖，導(dǎo)致消力池處水深較大，因此消力池處底部壓強(qiáng)較其他部位較大。對(duì)比一級(jí)消力池和二級(jí)消力池之間的差異可以看出，一級(jí)消力池底部壓強(qiáng)波動(dòng)明顯大于二級(jí)消力池底部壓強(qiáng)波動(dòng)，這是因?yàn)樗魍ㄟ^一級(jí)消力池時(shí)具備的能量較大，水流流態(tài)較為復(fù)雜，到達(dá)二級(jí)消力池時(shí)水流流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，因此二級(jí)消力池底部壓強(qiáng)相對(duì)穩(wěn)定。觀測(cè)溢洪道水力模型在泄水過程中壓強(qiáng)變化圖發(fā)現(xiàn)，溢洪道泄流過程中底部均未出現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，由此說明溢洪道設(shè)計(jì)科學(xué)，消能設(shè)置安排合理，有利于增加溢洪道使用年限。

3.2 尾水渠流速特征

依據(jù)尾水渠出口處旋漿流速儀進(jìn)行水流流速監(jiān)測(cè)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同工況下尾水渠出口處水流特征相似，選定水力模型運(yùn)行工況為2000 年一遇洪水進(jìn)行尾水渠出口河道流速分析，得到工況為2000 年一遇洪水時(shí)尾水渠出口處水流流速特征，見圖4。

圖4 2000 年一遇洪水下游河道流速分布圖

由圖4 可以看出，溢洪道尾水渠水流流速呈現(xiàn)大體對(duì)稱，總體主流向右岸偏移的現(xiàn)象，這主要是受到溢洪道尾水渠形狀和下游河道地形所影響。觀測(cè)流速特征可以得到，從樁號(hào)0+600～0+625 主流流速逐漸增大，隨后開始降低，其中最大流速為0+625 處的11.05 m/s。利用該水力模型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未安裝二級(jí)消力池時(shí)，水流流速達(dá)到20.8 m/s，相比較未安裝溢洪道二級(jí)消力池時(shí)，該溢洪道水流流速顯著降低，說明溢洪道消力池有較好的消能效果，該溢洪道能顯著降低水庫過壩水流沖刷作用。

3.3 泄流能力

分別對(duì)3 種工況下新建溢洪道泄流能力進(jìn)行試驗(yàn)，得到的不同工況下溢洪道敞泄時(shí)流量結(jié)果見表3。

表3 各工況下溢洪道敞泄流量試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可以發(fā)現(xiàn)，水力模型試驗(yàn)流量均略大于設(shè)計(jì)流量。其中，3 種工況下設(shè)計(jì)值流量分比為 1959 m3/s、2203 m3/s、3184 m3/s，試驗(yàn)值敞泄流量分別為 2071 m3/s、2394 m3/s、3479 m3/s，同比分別增大5.7%、8.7%、9.3%。水力模型試驗(yàn)值大于設(shè)計(jì)值的原因?yàn)橹谱鬟^程中材料差異和精度差異而造成的誤差，且該誤差隨著流量的增大而逐漸被放大。對(duì)比設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值之間的差異，試驗(yàn)值相比設(shè)計(jì)值在工況為2000 年一遇洪水時(shí)差異為9.3%，差異較小，由此說明水力模型試驗(yàn)結(jié)果可靠。由此，依據(jù)水水力模型試驗(yàn)結(jié)果，可以得出該新建溢洪道泄流能力滿足要求，能夠降低水庫在應(yīng)對(duì)不同等級(jí)洪水時(shí)的泄流要求，增強(qiáng)水庫防洪調(diào)度能力。

4 結(jié)論

為增加水庫防洪調(diào)度能力，提高水庫抗洪能力，對(duì)“帶病”水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，其中除險(xiǎn)加固水庫新建溢洪道可以避免水庫由于漫頂而出現(xiàn)的潰壩現(xiàn)象。針對(duì)西部某除險(xiǎn)加固水庫新建溢洪道進(jìn)行水力模型試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）不同工況下，除險(xiǎn)加固水庫新建溢洪道敞泄過程中，溢洪道底部沿程壓強(qiáng)分布規(guī)律相似，溢洪道底部沿程壓強(qiáng)值與溢洪道水深基本一致；溢洪道底部壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在一級(jí)消力池和二級(jí)消力池內(nèi)部；溢洪道敞泄過程中底部未出現(xiàn)負(fù)壓。

（2）不同工況下，除險(xiǎn)加固水庫溢洪道敞泄過程中，水流通過尾水渠進(jìn)入河道流速規(guī)律相似；在2000 年一遇洪水工況下，尾水渠水流進(jìn)入河道最大流速為11.05 m/s，遠(yuǎn)小于未設(shè)計(jì)二級(jí)消力池的溢洪道；該除險(xiǎn)加固溢洪道設(shè)計(jì)合理，具備較好的效能效果。

（3）3 種工況下除險(xiǎn)加固水庫溢洪道設(shè)計(jì)值流量分比為 1959 m3/s、2203 m3/s、3184 m3/s，試驗(yàn)值敞泄流量分別為2071 m3/s、2203 m3/s、3479 m3/s，同比分別增大 5.7%、8.7%、9.3%；該新建溢洪道泄流能力滿足要求，能夠降低水庫在應(yīng)對(duì)不同等級(jí)洪水時(shí)的泄流要求，增強(qiáng)水庫防洪調(diào)度能力。