溢流池體型優(yōu)化及泄流能力模型試驗(yàn)

李寧霄

（遼寧省河庫管理服務(wù)中心，遼寧沈陽110000）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為解決區(qū)域水量不均衡問題，我國興建了許多跨流域引調(diào)水工程，例如南水北調(diào)工程、滇中引水工程、東深供水工程、膠東調(diào)水工程、萬家寨引黃工程。在有壓引水工程中，為保護(hù)隧洞及管道不超壓，需要設(shè)置溢流池。

溢流池內(nèi)水流變化復(fù)雜，通常夾雜著摻氣和旋渦現(xiàn)象，目前國內(nèi)外尚無成熟的數(shù)值模擬方法理論，物理模型試驗(yàn)仍然是此類建筑物設(shè)計(jì)的主流。王繼濤利用特征線法建模，針對膠東調(diào)水工程進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為設(shè)置溢流井方案能有效減小管道內(nèi)的最大壓力[1]，但是未能考慮溢流井內(nèi)摻氣和旋渦問題。李松平等針對玉陽湖溢洪道，建立了1∶40 正態(tài)比尺的水工模型，探索不同溢洪道體型對泄流能力、流態(tài)流速、壓力分布的影響[2]。王志坤對佛寺水庫溢流堰建立了正態(tài)水工模型，得到了水庫靜水位與泄流量關(guān)系曲線[3]。

試驗(yàn)以遼寧省重點(diǎn)輸水工程溢流池為原型，建立溢流池及出口管道水工模型，觀察不同流量時(shí)溢流池內(nèi)水流流態(tài)、水深變化、壓力分布，得到流量-溢流水深關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)連接池與出水管道平滑過度的方案，能夠有效的減少氣阻和摻氣，同時(shí)避免了水躍，對減少安全隱患、保證穩(wěn)定運(yùn)行具有實(shí)際意義。

1 工程原型

遼寧省重點(diǎn)輸水工程溢流池，設(shè)置在有壓隧洞中，主要構(gòu)筑物包括豎井、連接池、出水管等。豎井和連接池為鋼筋混凝土材質(zhì)，出水管為無縫鋼管。工程設(shè)計(jì)流量41.0 m3/s，正常工作水位208.9 m。當(dāng)下游突發(fā)事故時(shí)，需要在此處泄掉全部流量，通過出水管道排放至地面河道。為此，設(shè)計(jì)了2 種溢流池體型方案。

1.1 方案1

溢流豎井內(nèi)徑5.8 m，溢流堰頂高程209.5 m。出水管道內(nèi)徑3.6 m。連接池長22.1 m，寬17.2 m，頂板高程212.00 m，底板采用傾斜式設(shè)計(jì)，連接池上部分底板高程208.00 m，下部分底板高程202.30 m，后接出水管道，管道傾角20.86°，進(jìn)口管中心高程204.90 m。其平面布置見圖1，剖面布置見圖2。

1.2 方案2

將連接池底板改為平板式，底板高程變?yōu)?06.00 m，出水管道進(jìn)口底高程與連接池保持一致，從而管中心高程變?yōu)?07.97 m，管道傾角變?yōu)?3.87°，其他參數(shù)與方案1 相同。平面布置未改變，剖面布置見圖3。

圖1 平面布置圖（單位：mm）

圖2 方案1 剖面布置圖（高程以m 計(jì)，其余均以mm 計(jì)）

圖3 方案2 剖面布置圖（高程以m 計(jì)，其余均以mm 計(jì)）

2 模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案

2.1 模型設(shè)計(jì)

溢流池原型長寬高相差不大，所以采用正態(tài)模型，考慮場地大小限制，按重力相似原則，選擇長度比尺Lr=10，流量比尺Qr=316.23，流速比尺Vr=3.16[4，5]。模型整體材料使用透明有機(jī)玻璃。高程誤差控制±0.3 mm內(nèi)，平面距離誤差控制±10.0 mm內(nèi)；水準(zhǔn)儀基點(diǎn)精度控制在±0.3 mm內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)原型設(shè)計(jì)，方案1與方案2設(shè)計(jì)流量相同，均為41.0 m3/s，按該試驗(yàn)流量比尺Qr =316.23，換算后，模型設(shè)計(jì)流量129.65 L/s。根據(jù)工程設(shè)計(jì)，每個(gè)方案進(jìn)行21 組相同工況的試驗(yàn)，詳見表1。

3 試驗(yàn)成果分析

1）流量與溢流水位關(guān)系

表1 試驗(yàn)組次劃分表

在流量1.0～45.0 m3/s 區(qū)間，方案1 與方案2的流量～溢流水位關(guān)系基本一致，即流量增加，溢流水位隨之線性增高。設(shè)計(jì)流量下，2 個(gè)方案的連接池蓋板底高程均滿足凈空要求。流量與溢流水深關(guān)系曲線見圖4。

圖4 流量與溢流水深關(guān)系曲線

2）壓強(qiáng)觀測

在出水管道進(jìn)口底板正上方70 mm 處，設(shè)置壓強(qiáng)觀測點(diǎn)P。

方案1，隨著流量的增長，觀測點(diǎn)P 的壓強(qiáng)值呈現(xiàn)出上升—平穩(wěn)—下降趨勢。在1.0～5.0 m3/s 區(qū)間出現(xiàn)負(fù)壓，最大壓強(qiáng)為0.13 m；7.0～15.0 m3/s 區(qū)間為正壓平穩(wěn)段，壓強(qiáng)為0.05 m；17.0～45.0 m3/s區(qū)間出現(xiàn)負(fù)壓，并且壓強(qiáng)產(chǎn)生脈動(dòng)，設(shè)計(jì)流量時(shí)，壓強(qiáng)為-0.70 m。在出水管道與連接池附近都出現(xiàn)了氣穴現(xiàn)象。

方案2，流量低于15 m3/s 時(shí)，水深較淺，觀測點(diǎn)P 處無水；在17.0～45.0 m3/s 區(qū)間，隨著流量的增長，壓強(qiáng)值線性增加，壓強(qiáng)值范圍為0.10～0.23 m；設(shè)計(jì)流量時(shí)，觀測點(diǎn)P 處壓強(qiáng)為0.2 m。

可見，方案2 試驗(yàn)出水管段內(nèi)及其連接池附近壓力比方案1 更加趨于穩(wěn)定。2 個(gè)方案的出水管道進(jìn)口壓強(qiáng)測量值與流量的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 出水管道進(jìn)口壓強(qiáng)

3）流量與連接池水深關(guān)系

在流量1.0～45.0 m3/s 區(qū)間，流量增加，連接池水位隨之線性增高，方案1 水面線較陡，方案2 較平緩。2 個(gè)方案連接池的內(nèi)側(cè)水位較高，分析是水流受側(cè)壁影響，水流方向發(fā)生了改變，發(fā)生了雍水現(xiàn)象。

4）出水管道氣阻現(xiàn)象觀測

在流量1.0～45.0 m3/s 區(qū)間，方案1 與方案2在出水管均未出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，方案1 出水管道進(jìn)口附近出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象，可能會(huì)對下游平直段管道進(jìn)氣和排氣產(chǎn)生一定影響；方案2 未出現(xiàn)明滿交替現(xiàn)象。

5）摻氣現(xiàn)象觀測

方案1，出水管內(nèi)始終存在摻氣現(xiàn)象，且流量越大，摻氣越明顯。方案2，在流量低于11.0 m3/s時(shí)，未出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象；超過13.0 m3/s 后，出水管內(nèi)開始出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象，流量越大，摻氣越明顯，但與同流量下方案1 相比要小很多。

6）水躍現(xiàn)象觀測

方案1，流量小于11.0 m3/s 時(shí)，在連接池內(nèi)出現(xiàn)水躍現(xiàn)象；流量大于13.0 m3/s 后，水躍進(jìn)入出水管內(nèi)。方案2，在全部流量區(qū)間，連接池與出水管連接處始終未產(chǎn)生水躍現(xiàn)象，水流相對平穩(wěn)。

4 結(jié)論

通過建立正態(tài)水工模型，對兩種體型的溢流池原型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相比于傾斜式連接池底板方案，平板式底板方案在水力學(xué)方面全面占優(yōu)，不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，不會(huì)出現(xiàn)明滿交替流現(xiàn)象，摻氣更少，而且不會(huì)產(chǎn)生水躍。平板式底板方案唯一的缺點(diǎn)是體型大，施工時(shí)需要的工程量稍多，最終實(shí)際工程采用了平板式底板方案。試驗(yàn)為工程設(shè)計(jì)提供支撐，也可為以后類似的工程提供參考。