軍民水庫(kù)溢洪道堰面水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

簡(jiǎn)鴻福，呂 輝，唐波華，羅 優(yōu)

(1.江西省水利科學(xué)研究院， 江西 南昌 330029； 2.鄱陽(yáng)縣軍民水庫(kù)管理局， 江西 鄱陽(yáng) 333100； 3.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

溢洪道是水庫(kù)洪水下泄的主要建筑物，其流量系數(shù)和泄流能力是水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的重要參數(shù)[1-3]。溢洪道控制堰的堰型主要有實(shí)用堰、寬頂堰、駝峰堰等型式，其中，駝峰堰與寬頂堰相比，具有流量系數(shù)大、泄流及過(guò)砂能力強(qiáng)、整體穩(wěn)定性較好、堰體外觀漂亮等優(yōu)點(diǎn)。目前駝峰堰一般修建在矩形明渠中，通過(guò)分別位于堰上、下游的兩個(gè)扭曲漸變段與梯形斷面的上游引渠和下游泄槽相連接[4-6]，這種布置形式與軍民水庫(kù)溢洪道現(xiàn)狀為梯形明渠不一致，需要增加大量的石方爆破和混凝土澆筑，導(dǎo)致工程量的增加和施工難度的增大，堰上水流流態(tài)也變得復(fù)雜。

針對(duì)軍民水庫(kù)溢洪道現(xiàn)狀為梯形明渠的問(wèn)題，本文開(kāi)展模型試驗(yàn)，提出將堰體直接修建在現(xiàn)有明渠中，省去了扭面漸變段的實(shí)施，減少了工程量和施工難度，改善了泄流條件，增加了泄流能力，并提出了符合工程實(shí)際的泄流能力計(jì)算方法，對(duì)同類工程具有參考意義。

1 工程概況

軍民水庫(kù)位于鄱陽(yáng)縣境內(nèi)潼津河北支流上，壩址以上控制流域面積133 km2。正常蓄水位82.15 m，設(shè)計(jì)洪水位85.22 m，校核洪水位86.49 m，總庫(kù)容1.894億m3，主要建筑物包括：大壩、溢洪道、灌溉發(fā)電隧洞、灌溉兼放空底涵[7-8]。

溢洪道位于大壩右岸的山體埡口處，控制段為開(kāi)敞式無(wú)閘控制駝峰堰，總長(zhǎng)775.0 m，由進(jìn)口引渠段、控制段、泄槽段、消能段、出水渠段、泄洪渠段組成。

控制段長(zhǎng)16.4 m，渠底高程80.15 m，駝峰堰頂高程82.15 m，頂寬30.0 m，過(guò)流斷面為梯形，兩岸邊坡為1∶1.0，由混凝土襯護(hù)。堰體采用C15埋石混凝土外包C20混凝土面板結(jié)構(gòu)，面板最小厚度0.5 m。堰面曲線由三段弧組成，堰頂曲線半徑5.0 m，上下游反弧曲線半徑12.0 m。下反弧段與一級(jí)泄槽段直接相連，泄槽坡度為1/35。溢洪道進(jìn)口及控制段布置圖見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 溢洪道控制段平面布置圖(單位：m)

圖2溢洪道控制段縱剖面圖

圖3溢洪道控制段橫剖面圖

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)

2.1 模型比尺

軍民水庫(kù)溢洪道模型按重力相似性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺(幾何比尺Lr)的選取除滿足重力相似要求外，還需滿足阻力相似的要求[9-12]，即模型的糙率系數(shù)nm與原體的糙率系數(shù)np之間滿足以下關(guān)系：

(1)

根據(jù)相關(guān)資料，原體中溢洪道表面為混凝土，np=0.014，模型中溢洪道的制模材料為有機(jī)玻璃，nm=0.0085，由此得到幾何比尺Lr=19.96。綜合考慮實(shí)驗(yàn)室條件及相關(guān)設(shè)備因素，確定模型比尺Lr=20，按重力相似準(zhǔn)則得出相應(yīng)的流速比尺Vr=200.5、流量比尺Qr=202.5、時(shí)間比尺Tr=200.5。

2.2 模型制作和安裝

整個(gè)模型由進(jìn)水系統(tǒng)、模型試驗(yàn)段、量水系統(tǒng)和回水系統(tǒng)等組成，為保證溢洪道進(jìn)口水流條件相似，模型對(duì)溢洪道進(jìn)水口前緣局部區(qū)域內(nèi)的上游水庫(kù)地形進(jìn)行了模擬。模型進(jìn)口引水渠、控制堰、泄槽及消力池均采用有機(jī)玻璃制作，上游水庫(kù)地形用水泥砂漿抹制，交叉工程和泄水渠用灰塑料板制作。

2.3 試驗(yàn)測(cè)試方法和測(cè)試儀器

本次模型試驗(yàn)選擇110.8 m3/s、175.9 m3/s、232.1 m3/s、309.7 m3/s、383.1 m3/s共5組不同流量條件進(jìn)行試驗(yàn)。模型試驗(yàn)中，溢洪道泄流量用矩形量水堰量測(cè)，沿程水壓力采用測(cè)壓管量測(cè)，流速用直讀式旋槳流速儀和畢托管測(cè)量，水面線用測(cè)針測(cè)量，對(duì)某一點(diǎn)的流速(或水面高度)分別測(cè)量3次，流速值(或水面高度)取3次測(cè)量的平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 過(guò)堰流態(tài)

利用測(cè)針測(cè)出不同來(lái)流量條件下溢洪道堰體前后各觀測(cè)斷面的水面線分布情況，如圖4所示(來(lái)流量383.1 m3/s)。圖4(a)中，由于選用的堰體布置方式?jīng)]有設(shè)置扭面等改變?cè)罃嗝娴倪^(guò)渡段，上下游及控制段邊墻自然過(guò)渡，堰前水流較為平順，堰面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的水面波動(dòng)；圖4(b)中，堰面下兩側(cè)邊墻處水深明顯高于底板中部，且斷面水面波形呈對(duì)稱分布，在底板中心處水面開(kāi)始隆起；圖4(c)中，斷面水面呈現(xiàn)出中心凸起、兩側(cè)平緩的形態(tài)，底板中心處的水冠較為明顯。溢洪道整體過(guò)堰流態(tài)如圖5所示。圖5中，下游泄槽段內(nèi)出現(xiàn)一定的菱形波，在堰面下0+033.4斷面兩側(cè)邊墻首先發(fā)生，兩側(cè)波形分布對(duì)稱，并向溢洪道中心發(fā)展直至相互頂沖和碰撞，頂沖點(diǎn)處水面隆起、水冠較高，頂沖點(diǎn)后菱形波呈折沖式向溢洪道兩邊發(fā)展，直至碰到兩側(cè)邊墻后又折向溢洪道中心?？梢?jiàn)，菱形波會(huì)對(duì)下游泄槽段邊墻設(shè)計(jì)高度造成影響。

圖4 流量383.1 m3/s時(shí)堰體前后水面線觀測(cè)斷面水深分布圖

圖5溢洪道水流過(guò)堰流態(tài)

3.2 過(guò)流流速分布

利用直讀式旋槳流速儀和畢托管測(cè)量斷面0+009.00和0+055.60在各流量工況下的水流流速分布，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，各斷面平均水流流速與流量大致呈正相關(guān)關(guān)系；兩個(gè)斷面間水流水頭損失百分比為1.64%～17.85%，反映出流量越低時(shí)，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)堰體時(shí)水頭損失越大；當(dāng)流量為232.1 m3/s時(shí)，水頭損失百分比最小，為1.64%，表明當(dāng)溢洪道達(dá)到某一流量，水流經(jīng)過(guò)駝峰堰時(shí)水頭損失可降至最低，泄流能力提升。

表1 各流量工況下測(cè)量斷面平均流速測(cè)量結(jié)果

圖6為各流量工況下堰體前后斷面的流速分布圖。由圖可知，堰前斷面流速分布較均勻，與流量間正相關(guān)關(guān)系較明顯；堰后斷面流速分布表現(xiàn)出明顯的差異性，呈現(xiàn)出“W”型，斷面中心處流速相對(duì)于兩側(cè)明顯較小，當(dāng)流量為232.1 m3/s時(shí)，斷面中心處流速與平均流速差值最大，表明受堰后菱形波的影響，斷面上各點(diǎn)流速與流量間無(wú)明顯的相關(guān)性。

3.3 堰面壓強(qiáng)分布

本次模型試驗(yàn)采用測(cè)壓管量測(cè)堰面及前后底板上的水壓力，沿中心線共設(shè)置了17個(gè)測(cè)點(diǎn)，水壓力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。共測(cè)試了5組不同過(guò)流條件下的沿程水壓力。結(jié)果表明：在各組試驗(yàn)工況下，相同流量工況下堰前底板水壓力值沿程變化不明顯，但堰面水壓力值呈現(xiàn)出明顯的“V”形變化，即先下降至最低點(diǎn)后再快速上升，堰面水壓力最低值約4.32 kPa～5.49 kPa，出現(xiàn)在堰頂偏下部位；堰后底板沿程水壓力值在大流量情況下變化明顯，當(dāng)流量小于175.9 m3/s時(shí)，底板沿程水壓力值變化不明顯，當(dāng)流量大于175.9 m3/s時(shí)，底板沿程水壓力值增幅隨流量的增加呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)流量為383.1 m3/s時(shí)，增幅達(dá)39.4%?？傮w來(lái)看，堰面曲線合理，滿足泄洪運(yùn)行要求。

圖6各流量工況下堰體前后斷面流速分布圖(m/s)

圖7溢洪道堰面及前后底板水壓力測(cè)點(diǎn)布置圖

圖8為各流量工況下堰面及前后底板中心線處的水壓力曲線圖，由圖8可知：總體各壓力曲線近似平行，隨著來(lái)流量的增加，各測(cè)點(diǎn)處的水壓力也隨之增加，尤其進(jìn)口段及堰后底板處各測(cè)點(diǎn)水壓力值變化明顯，與來(lái)流量相關(guān)性較好；但堰頂附近水壓力值隨流量變化不大。在同一流量條件下，進(jìn)口段及堰后底板處各測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線較為平緩，這是由于進(jìn)口段及堰后泄槽段過(guò)流斷面均為梯形斷面，為明渠均勻流，水頭損失相對(duì)較小，流態(tài)較穩(wěn)定；當(dāng)逐漸趨于上堰面反弧段時(shí)，過(guò)流面積減小，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流速增大，導(dǎo)致堰面水壓力減小；在堰頂凸面處，水壓力線開(kāi)始快速下降，到堰頂后某一位置處壓強(qiáng)降至最低點(diǎn)，這是由于在該位置液體質(zhì)點(diǎn)上的慣性離心力與重力合力方向與其流速方向一致，液體質(zhì)點(diǎn)流速達(dá)到最大，導(dǎo)致更多的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，該位置處的壓強(qiáng)降至最??；之后下反弧段，隨著過(guò)流面積的增大，流速減小，壓強(qiáng)又開(kāi)始上升，至泄槽段壓強(qiáng)線逐漸趨于水面線；整個(gè)堰面壓強(qiáng)分布近似為“馬鞍形”。本次試驗(yàn)結(jié)果顯示的壓強(qiáng)規(guī)律完全符合急變流動(dòng)水壓強(qiáng)分布規(guī)律，與其它研究成果文獻(xiàn)[13-15]基本是一致的。

圖8各流量工況下堰面及前后底板中心線處的水壓力曲線圖

4 泄流能力計(jì)算

4.1 泄流寬度

對(duì)于駝峰堰自由泄流的下泄流量，設(shè)計(jì)采用了下列公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：Q為泄流量，m3/s；m0為駝峰堰自由泄流的流量系數(shù)；H0為堰上水頭，H0=上游庫(kù)水位-堰頂高程，m；B為溢流寬度；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

在堰頂寬度相同、同一水位條件下，梯形明渠中駝峰堰的泄流量大于矩形明渠中駝峰堰的泄流量[2]。由公式(2)可得公式(3)：

(3)

其中：BH0為過(guò)流斷面的面積，由此可知，堰體下泄流量主要與過(guò)流斷面成正比，即可得公式(4)：

(4)

其中：S為堰頂處梯形斷面過(guò)水面積。

在本試驗(yàn)中公式(4)可化為公式(5)：

(5)

4.2 流量系數(shù)

因此，本模型中，流量系數(shù)可表示為：

(6)

由公式(6)可知，流量系數(shù)與堰上水頭呈指數(shù)關(guān)系。

4.3 泄流量

利用公式(5)和公式(6)得出不同庫(kù)水位條件下的計(jì)算流量Q計(jì)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2及圖9。

表2 不同庫(kù)水位條件下計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比表

注：本試驗(yàn)中，駝峰堰兩側(cè)邊墻坡比i=1。

圖9駝峰堰泄流量與庫(kù)水位關(guān)系曲線

與規(guī)范[16]中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果比較，實(shí)測(cè)流量比計(jì)算流量大3.97%～5.89%，表明在實(shí)際工作中以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算梯形明渠中駝峰堰的泄流量基本滿足要求，并留有一定的超泄能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 將駝峰堰直接修建在軍民水庫(kù)梯形明渠中，具有堰面流態(tài)好、堰頂過(guò)流斷面大，泄流能力強(qiáng)，堰前不易淤積等優(yōu)點(diǎn)。但下游泄槽段內(nèi)出現(xiàn)一定的菱形波，在下游泄槽段邊墻高度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮菱形波造成的影響。

(2) 堰面及上下游水壓力分布基本呈現(xiàn)“馬鞍形”，符合駝峰堰壓強(qiáng)分布一般規(guī)律，滿足溢流堰設(shè)計(jì)要求。

(3) 泄流能力計(jì)算時(shí)，駝峰堰溢流寬度需采用堰頂平均過(guò)水寬度；流量系數(shù)與堰上水頭呈指數(shù)關(guān)系；在沒(méi)有實(shí)測(cè)資料的情況下，采用溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流量基本能夠滿足要求，并留有一定的超泄能力。

(4) 堰下泄槽內(nèi)出現(xiàn)的菱形波，會(huì)對(duì)下游泄槽內(nèi)局部水面產(chǎn)生一定影響，應(yīng)通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)，確定邊墻高度。