田家灣水庫除險加固溢洪道導流墻水工模型試驗

張力鵬

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司,山西 太原 030000）

1 前言

田家灣水庫地處山西晉中榆次區(qū)城北田家灣村,水庫所在流域為汾河流域澗河中游,水庫控制流域面積89.8 km2,總庫容942.5×104m3。截至目前,溢洪道泄洪無閘控制,不能滿足下游山西省高校新校區(qū)防洪的限泄要求。工程區(qū)為典型的大陸型半干旱季風氣候區(qū),冬春季節(jié)氣溫低,降水稀少,夏秋季節(jié)氣溫偏高,降水豐富且旱澇災害頻發(fā)。年氣溫均值為11.2 ℃,年降水量均值為399 mm,根據(jù)統(tǒng)計資料,7 月~9 月為汛期,汛期降水量在全年降水總量中占比在70%及以上,蒸發(fā)較大,年蒸發(fā)量均值為2112.5 mm,年風速均值為1.6 m/s,冬春季節(jié)最大風速可達25.8 m/s。

田家灣水庫溢洪道屬于陡槽式結構,軸線彎曲,在水庫運行過程中,如遇出庫流量增大而且存在急流時,水流的超強沖擊波作用會使溢洪道邊墻發(fā)生轉向,進而導致水面發(fā)生傾斜。溢洪道彎道內(nèi)水面橫縱傾斜方向及程度的加劇會進一步引起水面流速和流態(tài)等水力學參數(shù)的改變?？傊?水流在流經(jīng)彎道接陡坡的溢洪道段時,單寬流量必然增大,流速必然提高,能量匯聚,并在彎道處產(chǎn)生較為猛烈的水流沖擊波,這種沖擊波必然改變彎道處水流、下游陡槽及消力池等水工建筑物的水流流態(tài)產(chǎn)生不利影響,為此必須通過模型試驗解決彎道急流沖擊波問題,避免流量較大時出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象[1],確保溢洪道彎道水流運行的安全性,優(yōu)化下游陡槽及消力池消能效率。

2 水工模型試驗

2.1 試驗方案

結合該水庫除險加固工程所在流域水流變動情況,包括恒定流和非恒定流兩類流態(tài),結合主相似原理及重力相似準則,本文主要進行明渠恒定非均勻流流態(tài)下田家灣水庫除險加固溢洪道導流槽水工試驗模型分析。設計的溢洪道水力相似模型必須符合湍流阻力相似的相關要求,并采用正態(tài)模型。結合本水庫除險加固工程溢洪道運行實際,以P=1%設計洪水頻率、P=0.1%校核洪水頻率、P=2%消能防沖設計洪水頻率三種工況下所對應的流量Qp1=1045 m3/s、Qp2=1251 m3/s、Qp3=1554 m3/s為試驗流量,研究不同洪水位對溢洪道斷面的壓力、水流流態(tài)及水面線。

2.2 模型制作及測點布置

本試驗模型的制作、安裝及試驗過程均在工程所在省水庫管理中心水工大廳進行,根據(jù)已經(jīng)確定的幾何比尺進行田家灣水庫除險加固溢洪道水工模型試驗設計。模型主要包括由水泵房、地下水庫所構成的水流循環(huán)系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)和量測系統(tǒng)、輔助設施等部分,為達到紊動阻力要求,溢洪道模型采用有機玻璃板材制作,田家灣水庫除險加固工程溢洪道原型糙率為0.015,糙率比尺1.92,所以有機玻璃板試驗材料的糙率為0.015/1.92=0.0078。

田家灣水庫除險加固溢洪道工程以平面布置圖、橫縱剖面圖等為模型設計依據(jù),溢洪道與閘室總長為504.5 m,考慮到試驗場地條件,在模型中設置兩個閘孔,以溢洪道入口為起點向下游模擬,并按照長度比尺進行模型各部分實際尺寸的換算,為保證試驗過程中來水水流狀態(tài)的平穩(wěn)順直,將1個長×寬×高尺寸為1.5 m×4.0m×1.6 m的穩(wěn)流池連接在供水首部,并在連接段進口處增設曲面進口。

結合《水工模型試驗規(guī)程》,本次所制作的水工模型地形高程誤差及平面距離誤差應嚴格控制在2.0 mm和10.0 mm以內(nèi),漏水量應按照設計試驗過流量最小值的1%控制[2],并采用水準儀進行模型高程誤差和平面距離誤差的校準與控制。通過玻璃膠防水處理后所進行的防水試驗顯示,模型全段均不漏水。

結合試驗目的,在各測量斷面按照相等間距布置水位測點和流速測點,并根據(jù)試驗實際,在進口段入口處和消力池內(nèi)分別按橫縱向設置5 個測點,其余斷面則按橫縱向布置3個測點。為便于測量,臨近邊壁的測點應設置在與邊壁距離1.0 cm的位置；進行溢洪道過流能力、水面流速及流態(tài)等觀測的關鍵斷面還必須在彎道處布置水位壅高點。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 溢洪道進口過流能力

庫水位及溢洪道引水渠控制情況均對溢洪道進口過流能力存在可能影響,在放水試驗過程中同時觀測0+150 堰上水頭斷面水位對閘室過流能力的影響程度發(fā)現(xiàn),水位與流量存在密切關系,整理得出的引水渠段0+150 斷面試驗水位與溢洪道進口處流量關系曲線見圖1。

圖1 引水渠段0+150斷面試驗水位與溢洪道進口處流量關系曲線

根據(jù)觀測結果,在溢洪道流量較小的情況下,原型觀測和模型觀測水位存在較大差異,在流量Qp1=1045 m3/s時,0+150斷面原型觀測水位110.12 m,模型試驗水位109.74 m,原型觀測水位比模型試驗水位高出0.38 m；隨著流量的增大,原型觀測水位比模型試驗水位差呈增大趨勢,當流量Qp3=1554 m3/s時,0+150 斷面原型觀測水位114.01 m,模型試驗水位112.78 m,原型觀測水位比模型試驗水位高出1.23 m。通過以上分析可以看出,原渠段設置符合過水能力要求,而且隨著流量的增大,溢洪道超泄能力不斷增強。

2.3.2 溢洪道水面流速

（1）進口段水面流速。各設計流量下對進口段A、B斷面流速實測結果顯示,斷面流速均值在2.5 m/s~5.7 m/s范圍內(nèi)變化,斷面垂線實測流速最大值vmax與流速v之比在1.33~1.51 之間,斷面垂線實測流速最小值vmin與流速v之比在0.78~0.95 范圍。這一階段的弗勞德數(shù)Fr∈（0.50,0.75）,屬于緩流,因受到閘墩處繞流的作用,故軸心線處流速值較小,但進口段末端流速又恢復正常。0+150 斷面進口段流速橫向分布情況見圖2,進口段流速橫向分布均勻緩和,且不存在較為明顯的橫向波。

圖2 0+150斷面進口段流速橫向分布情況

（2）原工程段水面流速。根據(jù)試驗流速測試結果,從0+170~0+286 斷面流速逐漸遞增,且閘室控制段流速分布均勻平穩(wěn),墩后因存在局部性繞流情況,導致流速發(fā)生波動。當進入直線段后由于過水斷面面積增大且底板存在坡度而導致流速顯著增大。到擴散段后流速表現(xiàn)出分布不均勻狀態(tài),并產(chǎn)生沖擊波和較大幅度的波動。在擴散段沖擊波的持續(xù)影響下進入梯形段后水面仍存在較為劇烈的波動,斷面垂線實測流速均值最大值vmax與流速均值v之比在1.14~1.93 范圍內(nèi)變動,斷面垂線實測流速均值最小值vmin與流速均值v之比在0.58~0.67 范圍內(nèi)變化。這一階段的弗勞德數(shù)Fr∈（0.53,1.98）,整個過程中水面流速表現(xiàn)出從緩流到急流的變動過程。

2.3.3 溢洪道水面流態(tài)

（1）進口段水面流態(tài)。田家灣水庫溢洪道進口以下為長度10 m的引水渠,通過觀測各級流量下進口段水流流動情況均較穩(wěn)定和平順,各級洪水流量下進口段沿程斷面水深均值見表1。根據(jù)表中觀測結果,自溢洪道進口段開始從0+286斷面到0+170 斷面沿程逐漸減?。?+170 斷面處因存在溢流堰上閘墩,其過水斷面面積減小,在墩頭阻水及水流繞流的綜合作用下,導致橋墩上游出現(xiàn)局部性壅水,最大壅水高度0.14 m。因溢洪道進口段長度小,其進口邊界存在的干擾波在受到渠道邊界反射后導致橋墩以上水面存在微弱波動態(tài)勢,但并不影響溢洪道進口段過流能力。

表1 各級洪水流量下溢洪道進口段沿程斷面水深均值

（2）原工程段水面流態(tài)。溢洪道進口段后為原工程段,設計樁號為0+170~0+286,田家灣水庫除險加固工程溢洪道續(xù)建是在原工程基礎進行,以彌補原溢洪道工程不足、改善陡槽和尾水渠惡劣的水力條件。本次試驗為包括原工程段和新設計段在內(nèi)的整體模型試驗,且在各設計試驗流量下原工程段水面流態(tài)和原型觀測流態(tài)結果基本相同,具體見表2。

由表2 中試驗數(shù)據(jù)可知,在閘墩的影響下,水深從控制段進口末端0+170 斷面至0+185 墩后斷面沿程不斷減少,且因墩后過水斷面面積增大形成局部繞流而導致閘墩后出現(xiàn)明顯旋渦；對于0+185~0+200 直線段,水位較為穩(wěn)定,且到達擴散段后水位出現(xiàn)較大變幅,沖擊波的出現(xiàn)引發(fā)旋渦區(qū)的形成,導致橫向水流從均勻分布狀態(tài)轉變?yōu)橹虚g高兩邊低的狀態(tài)。試驗結果也證明,翼墻墻壁擴散合理,水波傳播速度所允許的偏轉能達到相關要求而不致于造成水流脫離邊墻,但是所引起的局部性擾動會導致沖擊波的形成,引發(fā)水流流態(tài)不均勻變化。整體而言,原工程段水深沿中軸線方向呈不斷減小趨勢,且在閘室控制段及直線段因水深存在較大降幅而表現(xiàn)出水面流態(tài)橫向不均勻性,對導流墻加高也提出了要求,同時還導致水流集中,增大了下游出口消能難度[3]。

3 結論

本文對田家灣水庫除險加固溢洪道導流墻水工模型試驗結果顯示,原引水渠段溢洪道符合設計過水能力要求,且隨著流量的增大,溢洪道具備超泄能力。溢洪道進口段水深從0+170 斷面~0+150 斷面持續(xù)減小,閘墩上存在局部壅水現(xiàn)象,但是并不影響進口段過流能力,橫向流速分布均勻平緩,不存在橫向波。原工程段沿中軸線方向水深呈減小趨勢,且在閘室控制段及直線段水深存在較大降幅、水位存在不均勻波動,沖擊波在受到擴散后引發(fā)梯形段菱形波的出現(xiàn)。而閘室段流速分布均勻緩和,直線段、擴散段和梯形段流速均存在較大幅度的變動,甚至在梯形段表現(xiàn)出從緩流到急流過度的態(tài)勢。導流墻的設置既能使溢洪道彎道結構優(yōu)化、陡槽段水流形態(tài)更加緩和,又能避免進入消力池的水流發(fā)生較大的水位變化,降低消力池能耗,增強水流的順暢性,提升消能工效。綜上,田家灣水庫除險加固工程溢洪道加導流墻后對流速、不均勻水流、彎道、分流效果等均存在不同程度的優(yōu)化,且對水庫工程整體運行十分有利。