溢洪道泄流消能試驗研究

馬愛冬

(山西省聞喜縣水務(wù)局 043800)

1 前言

近些年來，隨著城市河道功能的拓寬，基于環(huán)境功能和傳統(tǒng)防洪、取水功能相結(jié)合的工程增多，河道中的橡膠壩、混凝土壩、攔河閘以及跌水坎等建筑物下游的消能問題日益突出，曾經(jīng)發(fā)生過很多水毀事故。究其原因，由消能工程設(shè)計和運行管理存在問題而引起的約占1/4;尤其不對稱入流，引起了消能工程的直接破壞。因而本文的研究對于城市和鄉(xiāng)村河道中溢洪道功能的實現(xiàn)具有重要現(xiàn)實意義。

2 概況

龍屯水庫樞紐工程由土壩、溢洪道、輸水洞三部分組成。土壩為黏土斜墻式砂殼壩，壩頂高程79.60m，防浪墻頂高程80.80m，壩頂長度742m，最大壩高24.35m。溢洪道為開敞式實用堰，由進(jìn)口段、堰體控制段、出口段三部分組成。輸水洞由進(jìn)口段、洞身段、出口段組成。

a.除險加固方案。擋水土壩更換上下游干砌石護(hù)砌，下游干砌石貼坡排水，重建壩頂防浪墻，對繞壩滲流進(jìn)行帷幕灌漿。土壩壩頂采用戴帽加高，加高后壩頂高程為80.10m，防浪墻頂高程為81.30m，斜墻頂高程為78.35m，最大壩高24.60m，加固后上下游邊坡不變。主溢洪道將原結(jié)構(gòu)拆除，重建新的4孔溢洪道，并將原弧形閘門變?yōu)槠桨邃撻l門，對控制段下游的陡槽段采用鋼筋混凝土護(hù)砌，陡槽末端設(shè)綜合消力池進(jìn)行消能，下游尾水渠兩岸修建堤防進(jìn)行防護(hù)。輸水洞將進(jìn)口段、出口段混凝土結(jié)構(gòu)拆除重建，同時對原施工時未襯砌洞身段進(jìn)行襯砌，進(jìn)口檢修門更換，原出口錐形閥拆除，重建為弧形閘門。

b.本文研究內(nèi)容和方法。針對龍屯水庫除險加固工程樞紐總布置方案，研究陡槽部位采用5級消力坎溢洪道的水流特性、陡槽斷面的流速流態(tài)及各斷面底部壓強(qiáng)，并與光滑溢洪道進(jìn)行對比，來驗證此種消能方式在實際工程中的可行性。試驗方案為:溢洪道為4孔敞泄式溢洪道，單孔凈寬為10.0m，泄流總凈寬為40.0m，堰型為駝峰堰，堰上設(shè)有4扇平板鋼閘門，根據(jù)水力計算，陡槽采用5級弧形消力坎溢洪道(弧形消力坎高H)，弧形消力坎間距40m。以光滑溢洪道作為對比方案。見圖1～圖2。

圖1 弧形溢洪道縱剖面

圖2 弧形消力坎縱剖面

3 弧形消力坎溢洪道試驗成果分析

3.1 弧形消力坎溢洪道水流流態(tài)特點

圖3為弧形溢洪道縱剖面水流流態(tài)。由于弧形消力坎高度不夠，并未在坎前形成水躍，因此未達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果。圖4為理想狀態(tài)下弧形消力坎溢洪道水流流態(tài)。

圖3 弧形溢洪道縱剖面水流流態(tài)圖

圖4 理想狀態(tài)縱剖面水流流態(tài)效果

3.2 水面曲線沿程變化

試驗分別沿溢洪道中心線、左邊墻及右邊墻在各斷面對水面高程進(jìn)行量測。由水深及水面高程數(shù)據(jù)分析可知50年一遇洪水時，從1級消力池末端開始，大多數(shù)斷面邊墻頂高程都低于水面高程，顯然消力坎對上游產(chǎn)生壅水，使溢洪道內(nèi)水位有所升高，水深大于邊墻高度，溢洪道邊墻高度不滿足50年一遇洪水過流要求。2級消力池內(nèi)形成充分的淹沒水躍，躍后水面平穩(wěn)，尾水無波動。但2級消力池內(nèi)及其下游尾水，水面明顯高于兩岸邊墻。因此，邊墻高度不滿足要求，邊墻需加高。

弧形消力坎溢洪道水面高程和渠底高程曲線見圖5。

圖5 弧形消力坎溢洪道水面曲線

由圖5可知，由于弧形消力坎的阻水作用，板前水位被壅高，但弧形消力坎的高度比較低，弧形消力坎前未能形成反向漩滾，而是在坎頂形成涌浪，弧形消力坎沒有起到預(yù)計應(yīng)有的消能作用。翻越坎頂后的水流湍急、動能較大。

3.3 流速沿程變化

試驗分別沿溢洪道中心線、左邊墻及右邊墻在各斷面對流速進(jìn)行了量測，沿鉛垂線取上、中、下3個測點。由數(shù)據(jù)可知，進(jìn)入彎道前斷面流速均勻分布，兩岸速度值近似相等。進(jìn)入彎道后，由于水流受離心力作用，主流偏向凹岸，左岸速度值明顯大于右岸，但由于下游孔板的壅水作用，水深增大，流速相應(yīng)減小。在設(shè)置孔板的溢洪道上，由于弧形消力坎逐級壅水消能，使水流折沖轉(zhuǎn)向消失，斷面流速分布左右趨于均勻化。因此，弧形消力坎可有效解決水流折沖問題。

圖6～圖8為弧形消力坎溢洪道各斷面左中右岸流速沿程分布曲線。

圖6 右岸流速沿程分布

圖7 中軸線流速沿程分布

圖8 左岸流速沿程分布

由圖6～圖8可以看出，弧形消力坎溢洪道斷面流速左岸與右岸相差很小，說明主流的折沖現(xiàn)象大幅度減弱，這樣對左岸的沖刷強(qiáng)度降低。此外，還可以發(fā)現(xiàn)流速總體出現(xiàn)了幾次波動，這是由于下泄水流越過1級弧形消力坎頂部流速最大，動能處于最大狀態(tài)，跌落到1級弧形消力坎與2級弧形消力坎之間時水流流速減小。由于弧形消力坎前產(chǎn)生雍水，并且坎前未能形成反向漩滾，而形成挑射水流翻越下級弧形消力坎頂部時流速增大。從圖6～圖8可以看出，水流速度波動后迅速下降，消能效果比較顯著，不過由于水躍的多次發(fā)生，對溢洪道底板塊的沖刷強(qiáng)度要求應(yīng)該提高，以免遭到破壞。

3.4 動水壓強(qiáng)沿程變化

50年一遇洪水時，沿程各測點在4孔閘門全開工況下壓強(qiáng)水頭平均值大于0，無負(fù)壓，產(chǎn)生空蝕的可能性小。沿程動水壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在弧形消力坎溢洪道起點。這是由于水流從1級消力池流出后，在1級弧形消力坎前壅水，水位較高，流速較大，動水壓強(qiáng)達(dá)到最大值;此后，水流雖然在以后各級弧形消力坎前都有壅水過程，但由于經(jīng)過前一級孔板后的水躍過程，造成能量消耗，速度在沿程總體趨勢上呈下降態(tài)勢。因此，壓強(qiáng)雖有起伏，但是弧形消力坎溢洪道入口處為最大值。

4 弧形消力坎溢洪道與陡坡溢洪道對比分析

4.1 溢洪道流態(tài)特征

光滑溢洪道由于彎道離心力的作用產(chǎn)生水流折沖，使主流偏向左凹岸。流經(jīng)光滑溢洪道時，形成兩股水流，這兩股水流相互作用，主流擴(kuò)散折沖轉(zhuǎn)向，使水面形成斜向波浪，在溢洪道末端主流仍位于左岸。從圖8可以看出，弧形消力坎溢洪道可有效解決由于彎道離心力作用產(chǎn)生的水流折沖，使左右岸的流速均勻，減少水流對左岸的沖刷。

4.2 溢洪道水面曲線沿程變化對比分析

設(shè)有消力坎的溢洪道由于弧形消力坎的雍水作用，各斷面水面高程普遍高于陡槽溢洪道各斷面水面高程，從而導(dǎo)致部分?jǐn)嗝娴乃娓叱谈叱鲞厜敻叱獭?/p>

4.3 溢洪道流速沿程變化對比分析

弧形消力坎溢洪道在水流進(jìn)入彎道過后的臨近斷面流速減小效果不顯著，這是由于弧形消力坎的高度不夠，從1級消力池下泄的水流直接越過1級弧形消力坎，因此水流流速減小不明顯，但隨著各級弧形消力坎消能作用的發(fā)揮，從1級消力池下游的斷面開始直至水流進(jìn)入2級消力池，水流流速逐漸大幅度減小，效果十分明顯。

4.4 溢洪道壓強(qiáng)平均值沿程變化對比分析

光滑溢洪道上各測點壓強(qiáng)逐漸減小，至水流流入2級消力池時壓強(qiáng)最小，而弧形消力坎溢洪道上各測點壓強(qiáng)有5次起伏，這是由于弧形消力坎坎前壅水造成水深增加引起的?？偟膩砜?，弧形消力坎溢洪道壓強(qiáng)水頭平均值大于0，無負(fù)壓，產(chǎn)生空蝕的可能性小。

5 結(jié)論

此次試驗由于弧形消力坎的高度不夠而未能達(dá)到預(yù)期效果。但是通過在光滑陡槽溢洪道上加設(shè)弧形消力坎后，得到以下結(jié)論:

a.由試驗數(shù)據(jù)分析可知:弧形溢洪道水面高程普遍高出邊墻頂高程，水流溢出岸坡。這是由于坎前壅水造成的。但是如果加高弧形消力坎高度，坎前壅水位會提高較大，并且兩岸護(hù)坡高度也應(yīng)相應(yīng)加高，這點應(yīng)該予以注意。

b.通過設(shè)置弧形消力坎，改善了彎道折沖水流在光滑陡槽溢洪道上形成的較大速度水流的惡劣流態(tài)，在弧形消力坎溢洪道上有效地降低了水流速度，并使水流速度分布均勻，有效地降低了二級消力池的消能壓力，使二級消力池內(nèi)水流相對穩(wěn)定，主流折沖影響基本消失。

c.此次試驗的弧形消力坎雖然未能充分發(fā)揮消能作用，但由數(shù)據(jù)可以看出溢洪道水流流速已經(jīng)大幅降低。如果設(shè)計在弧形消力坎溢洪道上形成6個水躍，消能率會更大幅提高。

d.弧形消力坎溢洪道上各測點壓強(qiáng)水頭均大于0，全程無負(fù)壓出現(xiàn)，出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象的可能性極小。但是隨著水深的增加，水流對弧形消力坎的弧形面以及渠底的壓力相應(yīng)增加，這也應(yīng)該予以注意。

由上綜述，弧形消力坎溢洪道可有效應(yīng)用于實際工程中。■

1 周麗麗，郭維東，閆濱，董延超，李海欣.彎曲溢洪道挑流消能沖刷坑的研究［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008(3).

2 戴玉婷.彎道水流基本特性研究現(xiàn)狀分析［J］.湖南交通科技，2008(3).

3 唐仁杰，胡旭躍，戴玉婷.彎曲河道水流的研究現(xiàn)狀［J］.水道港口，2009(4).

4 王平義.彎曲河道縱向垂線平均流速平面分布的研究［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，1994(3).