結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)對(duì)溢洪道泄流的驗(yàn)證分析

顧富星

（廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 廣州 510700）

溢洪道是水庫(kù)等水利建筑物的防洪設(shè)備,當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)安全限度時(shí),洪水就從溢洪道向下游流出,防止水壩被毀壞。溢洪道是洪水期間保證水庫(kù)安全的重要設(shè)施,因此,對(duì)于溢洪道過(guò)流能力進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和評(píng)估具有重要意義。本文旨在通過(guò)開(kāi)展水工模型試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的合理性,并針對(duì)計(jì)算結(jié)果提出改進(jìn)措施,從而達(dá)到最佳效果。

1 工程概況

某水庫(kù)工程是一座以農(nóng)村人畜供水、城鎮(zhèn)供水和農(nóng)田灌溉為主的綜合利用水利工程。工程首部樞紐布置由攔河混凝土面板堆石壩、溢洪隧洞、導(dǎo)流泄洪輸水隧洞組成。水庫(kù)總庫(kù)容為1142.0 萬(wàn)m3,工程等別及規(guī)模為Ⅲ等、中型工程。水庫(kù)大壩級(jí)別為2 級(jí)建筑物,溢洪隧洞、導(dǎo)流泄洪輸水隧洞為3 級(jí)建筑物（永久部分）,次要建筑物為4 級(jí),臨時(shí)建筑物為4 級(jí)。

溢洪道進(jìn)口段采用開(kāi)敞式正槽溢洪道,洞身采用隧洞型式。布置在右岸,溢洪隧洞水平投影全長(zhǎng)449.27 m,分為進(jìn)口段、控制段、收縮段、陡坡段（無(wú)壓洞）及出口消能段。

進(jìn)口段長(zhǎng)27 m,底板高程779.23 m；進(jìn)口左側(cè)無(wú)導(dǎo)墻,右側(cè)導(dǎo)墻為扭曲面型式,墻頂高程767.33 m,頂寬0.6 m。

控制段長(zhǎng)10 m,堰型為實(shí)用堰,堰頂高程為781.73 m,堰寬為12.0 m,上游堰頭曲線為三圓弧曲線,堰面曲線為WES曲線,曲線方程為

明渠型式收縮段長(zhǎng)26 m,寬度從12 m 收縮為4.5 m,收縮角θ=5°,底坡坡降i=0.1362。收縮段后接381 m 長(zhǎng)的無(wú)壓洞身段,斷面為城門(mén)洞型式,底寬4.5 m,底坡i=0.18,高度為6.09 m～5.56 m。

挑流鼻坎長(zhǎng)12 m,挑流鼻坎為差動(dòng)式。上差動(dòng)挑流鼻坎高程703.29 m,挑射角34°21'54''。下差動(dòng)為梯形側(cè)壁形式,挑流鼻坎高程701.75 m,挑射角14°00'57''。

2 溢洪道過(guò)流計(jì)算

溢流堰采用WES 標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)用堰,堰頂不設(shè)閘門(mén),水庫(kù)正常蓄水位與溢流堰頂高程齊平,溢洪洞堰頂寬度12 m。H～Q曲線采用實(shí)用堰公式：

初步設(shè)計(jì)階段復(fù)核后采用的水位流量關(guān)系見(jiàn)表1、表2和圖1。

圖1 溢洪道水位～下泄流量關(guān)系對(duì)比圖

表1 復(fù)核后溢洪洞水位～下泄流量 （堰寬12m）

表2 水庫(kù)特征水位下溢洪隧洞下泄流量

3 建立水工模型試驗(yàn)

3.1 模型設(shè)計(jì)及比尺

溢洪隧洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎谜w正態(tài)模型,按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),并滿足阻力相似要求。模型幾何比尺為1∶40,糙率比尺n=L

1/6=1.849,地質(zhì)勘察報(bào)告提供的溢洪隧洞混凝土襯砌表面的糙率為0.015,則要求模型溢洪道的糙率為0.0081,而有機(jī)玻璃的糙率n=0.008～0.010,故采用有機(jī)玻璃材料制作模型,滿足要求。

模型上游設(shè)置1 座量水堰以控制流量。

3.2 模型制作及試驗(yàn)量測(cè)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀缮嫌嗡畮?kù)、溢洪隧洞、消能工及下游河道組成。上游水庫(kù)地形用混凝土砂漿抹面制作,溢洪隧洞控制段前用水泥砂漿抹面,控制段及以后整條溢洪隧洞,包括差動(dòng)式消能工均用有機(jī)玻璃加工制作,尺寸嚴(yán)格控制在允許的誤差范圍之內(nèi)。差動(dòng)式消能工后接出口尾水渠段采用有機(jī)玻璃制作,下游河道按河道原斷面要求敷設(shè)動(dòng)床。

試驗(yàn)的量測(cè)：庫(kù)水位、下游水位、堰上水頭用精度為0.1 mm 的水位測(cè)針測(cè)量。流道上的時(shí)均動(dòng)水壓力用橡膠管、玻璃管制作的測(cè)壓管測(cè)量。流速用長(zhǎng)江科學(xué)院研制的LS-401D 型直讀式流速儀測(cè)量。水面線用鋼板尺量測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程拍攝照片及錄像。溢洪隧洞沿右孔軸線布置6 個(gè)測(cè)壓孔,沿洞身軸線布置14 個(gè)測(cè)壓孔。模型流量由上游無(wú)側(cè)收縮矩形薄壁量水堰控制,小流量時(shí)采用三角形薄壁堰。模型量水堰流量計(jì)算公式均按《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL 155-2012）中的公式計(jì)算。

3.3 原方案溢洪道（洞）過(guò)流能力

試驗(yàn)測(cè)定了表孔泄洪隧洞泄流能力,得到實(shí)測(cè)庫(kù)水位Z與溢洪隧洞下泄流量Q 的關(guān)系曲線。據(jù)此可知典型頻率洪水實(shí)測(cè)流量特征值見(jiàn)表3。

表3 原方案溢洪隧洞實(shí)測(cè)特征流量值及綜合流量系數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明,水庫(kù)在校核水位時(shí),溢洪隧洞實(shí)測(cè)下泄流量為166 m3/s,少于設(shè)計(jì)值191.8 m3/s 約13.45%,在設(shè)計(jì)水位時(shí),實(shí)測(cè)下泄流量為83.11 m3/s,低于設(shè)計(jì)值89.9 m3/s 約7.56%,30 年一遇實(shí)測(cè)下泄流量為68.75 m3/s,也小于設(shè)計(jì)值74 m3/s約7.1%。由此可知,在此情況下,模型試驗(yàn)所得的下泄流量均與設(shè)計(jì)值相差較大,過(guò)流能力嚴(yán)重不足。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和分析,原方案存在的主要問(wèn)題為：

1）溢洪隧洞過(guò)流能力嚴(yán)重不足。主要是因?yàn)檠咔八魇芸刂贫巫筮厜Φ膫?cè)收縮影響,左側(cè)水流呈繞流流態(tài)進(jìn)入控制段,左孔水流流態(tài)差。受溢洪隧洞控制段左邊墻的側(cè)收縮作用,堰前形成繞流流態(tài),在堰頂斷面處,左孔左側(cè)水深較低,減小了過(guò)流能力。

2）在樁號(hào)Y0+025.39～Y0+044.00 段內(nèi),水流受堰后收縮段的作用和堰前繞流的影響形成了“駝峰”流態(tài),在校核庫(kù)水位時(shí)下泄水流出現(xiàn)觸頂現(xiàn)象。

3）兩道無(wú)挑坎摻氣槽槽內(nèi)積水嚴(yán)重,均沒(méi)有形成摻氣空腔,摻氣槽失效。

4 試驗(yàn)優(yōu)化及推薦方案

針對(duì)原方案的主要問(wèn)題,經(jīng)多方協(xié)商后,基于如下思路對(duì)原方案進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化：

（1）為消除控制段左邊墻側(cè)收縮的影響,提高溢洪隧洞的過(guò)流能力,同時(shí)為改善在樁號(hào)Y0+025.39～Y0+044.00 段內(nèi)出現(xiàn)的“駝峰”流態(tài),在進(jìn)水渠段增設(shè)左導(dǎo)墻。（2）對(duì)兩道無(wú)挑坎摻氣槽增設(shè)摻氣挑坎,以解決摻氣槽失效的問(wèn)題。

經(jīng)試驗(yàn)優(yōu)化,增設(shè)進(jìn)水渠左導(dǎo)墻,左導(dǎo)墻為半徑40 m 的平面圓弧的垂直墻,前端為0.5 m 的半圓,其體形、尺寸具體見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 溢洪隧洞進(jìn)口水流流態(tài)模型

圖3 溢洪隧洞堰后流態(tài)

優(yōu)化方案典型頻率洪水實(shí)測(cè)流量特征值見(jiàn)表4。

表4 推薦方案溢洪隧洞實(shí)測(cè)特征流量值及綜合流量系數(shù)

增設(shè)左導(dǎo)墻后,各工況下,進(jìn)水渠段內(nèi)水流平順,流態(tài)平穩(wěn),控制段內(nèi)水流平順。增設(shè)左導(dǎo)墻后基本消除了側(cè)收縮的影響。區(qū)間的“駝峰”流態(tài)得到一定的改善。試驗(yàn)結(jié)果表明：校核水位時(shí),實(shí)測(cè)下泄流量180.5 m3/s 小于設(shè)計(jì)值191.8 m3/s約5.89%,設(shè)計(jì)水位時(shí),實(shí)測(cè)下泄流量86.5 m3/s 小于設(shè)計(jì)值89.9 m3/s 約3.78%,30 年一遇實(shí)測(cè)下泄流量71.0 m3/s 小于設(shè)計(jì)值74 m3/s 約4.05%,溢洪隧洞過(guò)流能力與原設(shè)計(jì)值接近,相差在3%～6%范圍。

增設(shè)1#、2#摻氣坎后,各工況下坎后均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔,摻氣空腔內(nèi)空氣吸入充分,坎后水流平順。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)溢洪道（洞）采用理論計(jì)算公式、進(jìn)口段不設(shè)導(dǎo)墻、進(jìn)口段增設(shè)導(dǎo)墻模型試驗(yàn)所得到的下泄流量進(jìn)行對(duì)比分析研究,得出結(jié)論如下：

（1）丫河水庫(kù)溢洪道（洞）總體布置及設(shè)計(jì)體型基本合理,采用理論公式計(jì)算時(shí)由于流量系數(shù)影響,結(jié)果偏大,偏差在10%以內(nèi)。

（2）溢洪道進(jìn)口布置在壩肩時(shí),靠壩一側(cè)設(shè)置順應(yīng)水流的曲面導(dǎo)水墻是有效的。設(shè)置導(dǎo)墻后,可有效避免產(chǎn)生繞流和橫向流,過(guò)流能力得到明顯提升。

（3）經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證,下泄流量實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值偏差在3%～6%之間。理論計(jì)算值偏大,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為偏安全考慮,建議在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上考慮10%左右的安全裕度,確保工程安全。