希尼爾水庫進水渠導(dǎo)墻體型優(yōu)化試驗分析

劉鵬飛

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

溢洪道是水庫工程宣泄余量洪水的重要建筑物，對水庫工程擋水及安全運行至關(guān)重要。溢洪道首部的進水渠主要發(fā)揮引導(dǎo)水流平順進入泄槽段并調(diào)整水流的功能，所以進行進水渠設(shè)計時，必須保證其槽段內(nèi)水流流態(tài)平順，保證溢洪道泄洪作用的順利發(fā)揮。大量研究成果和工程實踐也顯示，不同的溢洪道進水渠形式對進水渠內(nèi)水流流態(tài)及泄流能力具有不同程度的影響，且其形式設(shè)計不合理必定會引起渠段內(nèi)水流出現(xiàn)渦流并影響泄洪能力。文章主要基于具體水庫工程實際情況，對水庫溢洪道進水渠形式進行優(yōu)化設(shè)計，從而為類似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

希尼爾水庫位于孔雀何流域的庫爾勒市境內(nèi)，北距庫爾勒市20km，南距尉犁縣城27km，西與尉犁縣西尼爾鎮(zhèn)的新疆紅旗機械廠東相接，東至庫魯克塔格山。地理座標為E86°13′-86°18′，N41°33′-41°38′，該中型水庫主要發(fā)揮灌溉、供水、防洪、發(fā)電等職能。溢洪道設(shè)置在左岸壩端，主要包括進水渠、控制段、調(diào)流段及泄流槽段。該水庫溢洪道設(shè)計原則主要為重力相似準則，原設(shè)計方案中進水渠左岸導(dǎo)墻采用直線段設(shè)計型式，且未設(shè)導(dǎo)墻，僅通過斜坡連接壩肩。

進水渠渠底通常按照緩坡或平底設(shè)計，流速不大，且水流呈明渠非均勻緩流，溢洪道軸線和壩軸線夾角較小，在泄流時，與進水口越遠流速越小，且流線基本平行于進水口中線；隨過水斷面發(fā)生收縮，流線逐漸變得彎曲，從而形成橫斷面水面差。若進水渠壩肩側(cè)未設(shè)導(dǎo)墻，則壩坡側(cè)水流流入進水渠后形成側(cè)向水流，并對正向水流造成頂托[1]影響，引發(fā)水流劇烈翻滾，影響和降低閘室過流能力，甚至引發(fā)閘室振動。

2 進水渠體型優(yōu)化

2.1 原進水渠布置

按照原方案，溢洪道進水渠左右側(cè)導(dǎo)墻均按照直線型布置，左導(dǎo)墻略微長于右導(dǎo)墻，且高度逐級降低。根據(jù)對原設(shè)計方案過流能力的復(fù)核，僅當流量在420m3/s以下時溢洪道泄流量符合設(shè)計要求；設(shè)計洪水泄流量和校核洪水泄流量所對應(yīng)的庫水位分別為154.61m和155.68m，比設(shè)計值分別高出0.78m和1.49m。具體見圖1。

圖1 庫水位-流量關(guān)系曲線

按照設(shè)計過流能力進行流量系數(shù)反算，所得到的流量系數(shù)為包含側(cè)收縮系數(shù)且不含近流速影響的綜合流量系數(shù)，其取值為0.15-0.46，試驗結(jié)果為0.30-0.34[2]。而希尼爾水庫溢洪道寬頂堰流量系數(shù)理論值最大達0.384，所以流量系數(shù)取值過大是造成其溢洪道泄流量達不到設(shè)計要求的主要原因，為此，必須調(diào)整溢洪道堰型。原方案下水庫溢洪道進水渠進水口斷面為矩形型式，進入進水渠的水流因受到兩側(cè)擋墻的約束流態(tài)較為紊亂，并在接近擋墻附近發(fā)生漩渦和渦流，并隨流量增大而愈加嚴重，甚至延伸至閘室區(qū)域，十分不利于閘室穩(wěn)定和泄洪能力的提升。

2.2 溢流堰體型優(yōu)化

在原設(shè)計的基礎(chǔ)上必須進行溢洪道堰體型式變更，將原方案下的寬頂堰變?yōu)閷嵱醚撸匝赜迷唔敻叱?，調(diào)整后的堰面曲線和1∶0.8直線相切，且末端連接泄槽底板。經(jīng)過對實用堰泄流能力的反復(fù)驗證表明，設(shè)計洪水位對應(yīng)泄流量下，上游水位比設(shè)計水位低0.51m，校核洪水多對應(yīng)泄流量下，試驗水位比設(shè)計水位高0.11m，說明實用堰溢洪道泄流能力仍無法達到設(shè)計要求，必須進行進水渠導(dǎo)墻的優(yōu)化。

2.3 導(dǎo)墻布置方案

考慮到希尼爾水庫溢洪道所處地理位置，根據(jù)溢洪道設(shè)計相關(guān)要求，其進水渠進口應(yīng)按喇叭口結(jié)構(gòu)設(shè)計，為此，本次試驗主要對其進水渠左右導(dǎo)墻對稱布置。

方案一：在地理位置及周圍山體的影響下，樁號0+000.00-0+025.5m段保持直線型，而樁號0+033.2-0+053.5m段應(yīng)按24°水平角的斜直線段設(shè)計，中間通過半徑R為20m、圓心角22°的圓弧曲線連接，具體見圖2。在該優(yōu)化方案下進水渠內(nèi)水流整體平順，僅在直線導(dǎo)墻內(nèi)存在輕微漩渦，且渦流隨整體流量的增大而逐漸明顯，但對閘室無不利影響。

圖2 方案一布置示意圖

方案二：樁號0+000.00-0+025.5m段保持直線型，而樁號0+025.5-0+046.5m段通過半徑R為50m、圓心角26°的圓弧曲線連接，具體見圖3。當流量不大時，進水渠內(nèi)水流整體平順，且直線段導(dǎo)墻內(nèi)存在輕微漩渦，渦流現(xiàn)象隨流量增大而隨之增大，并呈向閘室靠攏趨勢。

圖3 方案二布置示意圖

方案三：考慮到弧線長度不夠可能是造成方案二中進水渠進口直線段存在輕微渦流的主要原因，故在此基礎(chǔ)上適當延長圓弧長度，達到調(diào)整水流流態(tài)的目的。具體而言，樁號0+000.00-0+025.5m段繼續(xù)保持直線型，而樁號0+025.5-0+065.5m段通過半徑R為50m、圓心角53°的圓弧曲線連接，具體見圖4。這種方案下，進水渠內(nèi)水流整體平順，流態(tài)好，無渦流出現(xiàn)。

圖4 方案三布置示意圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 水流流態(tài)分析

具體而言，通過對優(yōu)化方案下進水渠水流流態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)，三種方案中閘室左孔水流流態(tài)均有一定程度改善，但效果不盡相同。方案一在導(dǎo)墻內(nèi)左側(cè)存在大范圍較深水面跌落，導(dǎo)致閘室左孔存在明顯渦流，且回流區(qū)與閘門控制段較為接近；方案二下水流流態(tài)與方案一較為接近，且渦流呈現(xiàn)出向閘室靠攏趨勢。方案三進水渠內(nèi)水流平順，且無漩渦和渦流產(chǎn)生，此方案同原方案以及其余優(yōu)化方案相比，各斷面流速更加均勻，橫向水位也較為接近，能取得較好的優(yōu)化效果，具體見表1。

表1 方案三進水渠內(nèi)斷面流速檢測結(jié)果

3.2 泄流能力分析

通過表2中對3種方案下溢洪道泄流能力的比較發(fā)現(xiàn)，3種方案溢洪道泄流能力均符合設(shè)計要求，且方案三泄流能力最大，希尼爾水庫庫水位分別為152.10m、153.87m、154.46m時方案三水位分別為150.65m、153.32m、154.21m，比設(shè)計值低1.45m、0.55m、0.24m，泄流效果最好。

表2 3種方案溢洪道泄流能力比較

4 結(jié) 論

綜上所述，希尼爾水庫寬頂堰泄流能力與設(shè)計要求相差較大，若單純將寬頂堰堰型變更為實用堰，其過流能力依然無法滿足設(shè)計要求，為此必須調(diào)整和優(yōu)化進水渠導(dǎo)墻。通過對所提出的進水渠導(dǎo)墻三種優(yōu)化方案的比較得出，方案三(即樁號0+000.00-0+025.5m段繼續(xù)保持直線型，而樁號0+025.5-0+065.5m段通過半徑R為50m、圓心角53°的圓弧曲線連接)能顯著改善進水渠面流態(tài)，使渠段內(nèi)水流整體平順，無漩渦，橫向無水位差，使溢洪道泄流能力顯著提升。總之，在進水渠增設(shè)導(dǎo)墻后能顯著改善水流流態(tài)，且導(dǎo)墻長度對水流流態(tài)及泄洪能力存在一定程度的影響，直線型導(dǎo)墻長度越長，對水流流態(tài)的優(yōu)化作用越明顯，但是對泄流能力提高的影響一般。