黃池溝配水樞紐分水池側(cè)槽退水道水力特性試驗研究

他金城，譚立新，張宗孝

(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

1 研究背景

溢洪道為水利工程重要的泄水建筑物，在安全泄洪中發(fā)揮著極為重要的作用[1-6]，側(cè)槽溢洪道作為溢洪道的一種，在中小型水利工程中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，浙江省和陜西省的中小型水庫中，有近一半采用側(cè)槽溢洪道形式[7]，為此，專家學(xué)者們對側(cè)槽溢洪道開展了大量的研究，取得了豐富的成果，而水工模型試驗在工程設(shè)計和優(yōu)化研究中起到了十分重要的作用[8-10]。為了提出適合金村水庫工程的最佳溢洪道布置方案，杜躍亭等[11]依托模型試驗，對“L”形和“I”形側(cè)槽式溢洪道進行了研究，為工程優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)；為了改善前坪水庫溢洪道進水渠左、右岸導(dǎo)墻前部水流橫向偏流流態(tài)，朱翠民等[12]對溢洪道進口右側(cè)導(dǎo)墻型式進行了一系列的優(yōu)化試驗，優(yōu)化后的側(cè)導(dǎo)墻方案水流流態(tài)有了較大的改善。此外輔以數(shù)值計算的研究也取得了豐富的成果[13-15]，石勝友等[16]通過數(shù)值計算針對某水庫工程側(cè)槽式溢洪道方形消力豎井因斷面尺寸和深度較小導(dǎo)致宣泄校核洪水時泄洪洞進口段流態(tài)惡劣的問題，進行了消力井的設(shè)計方案優(yōu)化研究。水流空化空蝕一直是威脅溢洪道結(jié)構(gòu)安全的重要因素[17]，為探究達克曲克水電站表孔溢洪道泄槽是否存在空化空蝕問題，顏婷等[18]通過理論計算與實際分析發(fā)現(xiàn)在施工時按要求控制不平整度可以有效避免空化空蝕。

黃池溝配水樞紐是引漢濟渭工程輸配水工程的重要組成部分。樞紐主要由秦嶺輸水隧洞、分水池、側(cè)槽退水道、黑河供水連通隧洞及南、北干線組成，樞紐布置圖見圖1。

圖1 引漢濟渭工程黃池溝配水樞紐平面布置圖(單位：m)

秦嶺隧洞的來水量變幅大且變化非常頻繁，來水規(guī)律性差。根據(jù)引漢濟渭工程設(shè)計，來水一旦進入配水樞紐后保證全部分配到南、北干線，盡量做到不棄水或少棄水。但黃池溝配水樞紐因分水池容量太小，調(diào)節(jié)能力差，即來多少水就分多少水，一旦南、北干線出現(xiàn)事故或多閘門控制不當，將產(chǎn)生大量棄水，由此帶來的泄流安全問題及其影響就成為黃池溝配水樞紐必須妥善解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

側(cè)槽退水道承擔著黃池溝配水樞紐的泄洪任務(wù)，保證將多余的棄水順利地排向下游。側(cè)槽退水道在分水池左側(cè)，由側(cè)堰、側(cè)槽段、平面彎道箱涵段、陡坡箱涵段、消力池及海漫段組成，側(cè)堰由中墩分隔為兩孔，溢流堰為曲線型實用堰，堰頂高程514.00 m，頂部設(shè)置鋼壩閘，鋼壩閘頂部高程515.00 m。設(shè)計水位514.88 m時，鋼壩閘門正常擋水，當出現(xiàn)緊急情況需要泄流，下泄流量不大于47 m3/s，分水池水位低于516.20 m時，鋼壩閘門頂部過流，當下泄流量大于47 m3/s、分水池水位高于516.20 m時，鋼壩閘門開啟泄流，最大下泄量70 m3/s。側(cè)槽退水道能否順利宣泄棄水是工程設(shè)計考慮的首要問題，同時由于泄流可能使側(cè)堰產(chǎn)生一定程度的淹沒泄流而增加分水池水位，從而引發(fā)秦嶺隧洞明滿流交替的復(fù)雜流態(tài)，所以避免秦嶺隧洞發(fā)生悶孔現(xiàn)象對工程而言也很重要，此外，消力池作為退水道消能設(shè)施，其流態(tài)特征對于工程運行也同樣重要。因此，本文以黃池溝配水樞紐分水池側(cè)槽退水道為研究對象，針對以上側(cè)槽退水道設(shè)計要點和可能存在的問題通過模型試驗進行分析研究，為退水道的優(yōu)化設(shè)計和安全運行提供依據(jù)。

2 試驗系統(tǒng)及試驗工況

水工整體模型按重力相似準則設(shè)計，幾何比尺為1∶15，為正態(tài)模型，流速比尺為3.873，流量比尺為871，壓強比尺為15，時間比尺為3.873，糙率比尺為1.570 4。

側(cè)槽退水道試驗?zāi)Ｐ椭饕煞炙?、?cè)堰、側(cè)槽段、平面彎道箱涵段、陡坡箱涵段、消力池、海漫段等組成，模型進出口均安裝有量水堰，量水堰依據(jù)模型流量范圍并參照《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》(SL 155—2012)[19]的規(guī)定采用矩形薄壁堰，小流量時，為了提高流量的量測精度，在模型下游安裝直角三角薄壁量水堰。試驗中量水堰均為自由出流，矩形堰流量采用雷伯克經(jīng)驗公式計算，三角堰流量采用南京水利科學(xué)研究院標準地秤校正后的擬合經(jīng)驗式計算，詳見文獻[19]；堰上水頭和池水位用測針量測；模型水流點流速用畢托管量測；壁面壓強用測壓管量測；水流流態(tài)用數(shù)字攝像機拍攝記錄。水工整體模型試驗工況見表1。

表1 水工整體模型試驗工況表

3 結(jié)果與分析

3.1 過流能力

側(cè)槽退水道池水位-流量關(guān)系曲線見圖2，由圖2可見試驗點與擬合曲線吻合良好。根據(jù)圖2得出表2(不同設(shè)計池水位的泄流量對比)和表3(不同設(shè)計泄量相應(yīng)的池水位對比表)。表2中堰流流量系數(shù)按下列堰流基本公式計算：

表3 側(cè)槽退水道不同設(shè)計泄量相應(yīng)的試驗池水位與設(shè)計池水位對比

圖2 側(cè)槽退水道池水位-流量關(guān)系曲線

(1)

式中：Q為側(cè)槽退水道下泄流量，m3/s；B為側(cè)堰凈寬，m；m′為考慮了側(cè)收縮和淹沒影響的綜合流量系數(shù)；H為堰上水頭，m；g為重力加速度，m/s2。

由表2、3可知，分水池側(cè)槽退水道側(cè)堰滿足設(shè)計泄量要求。

表2 側(cè)槽退水道不同設(shè)計池水位試驗泄量與設(shè)計泄量對比

3.2 水面線

為了驗證側(cè)槽退水道邊墻設(shè)計高度是否滿足泄流要求，試驗實測了側(cè)槽退水道側(cè)堰(樁號YL0+000.000～YL0+004.545 m)、側(cè)槽段(樁號YL0+007.000～YL0+028.730 m)、平面彎道箱涵段(樁號YL0+028.730～YL0+041.810 m)、陡坡箱涵段(樁號YL0+041.810～YL0+084.100 m)、消力池(樁號YL0+084.100～YL0+108.100 m)的水面線，圖3為退水道下泄流量為70 m3/s時沿程實測最高水位與設(shè)計邊墻頂高程對比。由圖3可清晰地看到，側(cè)槽退水道沿程實測最高水位均低于設(shè)計邊墻頂高程，其中實測陡坡箱涵段最大水深斷面位于陡坡進口(樁號YL0+041.810 m)，為2.55 m，該段設(shè)計邊墻高度為4.6 m，斷面凈空約為43.18%，大于15%～25%，隨后水面逐漸降低，凈空富余度較大，說明陡坡箱涵邊墻高度滿足過流要求。

圖3 側(cè)槽退水道沿程實測最高水位與設(shè)計邊墻頂高程對比

3.3 陡坡段水流空化影響

流體力學(xué)中，水流空化數(shù)σ常被用來表征泄水建筑物各位置的空化特性和作為判斷空蝕發(fā)生與否的指標，σ越小則水流空化的可能性越大。本研究中水流空化數(shù)σ計算采用《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253—2018)[20]中推薦的公式：

(2)

式中：h0為測壓管水頭，m；v0為計算斷面的平均流速，m/s；hv為水的壓力水頭，m，試驗中水溫約7 ℃，取hv=0.102 m；ha為大氣壓力水頭，m，根據(jù)計算點高程z由公式(3)估算：

ha=10.33-z/900

(3)

式中：z為計算點海拔高程，m。

與其他部位相比，退水道陡坡段最易發(fā)生空化空蝕[21-23]。試驗計算了泄水流量為56和70 m3/s時陡坡段水流空化數(shù)，計算結(jié)果見表4。由表4可看出，陡坡段沿程水流空化數(shù)逐漸減小；空化數(shù)最小值出現(xiàn)在陡坡末端位置，最小值分別為1.13和1.07，大于初生空化數(shù)，其余各斷面水流空化數(shù)均較大。圖4為泄水流量為70 m3/s時退水道陡坡段斷面流速分布，圖4中最大流速在陡坡末端斷面，約為14.55 m/s，小于15 m/s，因此退水道陡坡段受空蝕破壞的可能性很小。

表4 退水道陡坡段水流空化數(shù)計算表

圖4 退水道陡坡段斷面流速分布

3.4 消力池流態(tài)及消能分析

圖5為消力池在泄量56和70 m3/s時的水流流態(tài)。由圖5可看出，水流從陡坡箱涵末段流入消力池，在池內(nèi)形成水躍，躍后水流一部分沿消力池左邊墻直接躍過消力坎流向下游海漫；由于消力池為梯形斷面，另一部分則在消力池內(nèi)沿消力池中心形成一個順時針的回流，而回流促使沿左邊墻直接躍過消力坎的水流能量增加，且消力池末端水深較淺，導(dǎo)致消力坎下泄的水流在一定范圍內(nèi)以急流方式向海漫段擴散，并在海漫段內(nèi)產(chǎn)生折沖水流流向下游。試驗測得消力池回流流速沿右邊墻中段最大，流量為56和70 m3/s時，實測最大回流流速分別為5.34和5.42 m/s，回流使消力池流態(tài)變差且影響消力池的消能率，消力池周邊邊壁附近水面較高，消力池中心水面較低，該現(xiàn)象隨著流量的增大更加明顯。大流量時由于消力池深度不足，而下游消力坎較寬，坎上水深小，導(dǎo)致消力池內(nèi)產(chǎn)生遠驅(qū)水躍，同時海漫段水流流態(tài)差，局部護岸高度不足。所以設(shè)計的消力池在大流量時不滿足水躍消能要求。

圖5 消力池段水流流態(tài)

4 結(jié) 論

本文通過水工模型試驗的方法對黃池溝配水樞紐分水池側(cè)槽退水道的水力特性進行了研究分析，得出如下結(jié)論和建議：

(1)設(shè)計泄量下試驗實測池水位均低于設(shè)計池水位，側(cè)堰過流能力滿足過流要求；側(cè)槽退水道各段實測最高水位均低于設(shè)計邊墻頂高程，陡坡箱涵最大水深斷面凈空約為43.18%，大于15%～25%，隨后水面逐漸降低，凈空富余度較大。

(2)陡坡段沿程空化數(shù)逐漸減小，不同設(shè)計流量下最小值分別為1.13和1.07，大于0.4～0.5，說明退水道陡坡段受空蝕破壞的可能性很??；各工況下的池水位均不高于516.20 m，而秦嶺隧洞頂部高程為516.76 m，因此秦嶺隧洞不會出現(xiàn)明滿流交替即悶孔現(xiàn)象。

(3)大流量時由于消力池深度不足，下游消力坎較寬，坎上水深小，導(dǎo)致消力池內(nèi)產(chǎn)生遠驅(qū)水躍，不滿足水躍消能的要求，建議通過進一步的模型試驗來重新設(shè)計消力池。