溝水坡水庫溢洪道彎道水流及消能試驗(yàn)研究

趙雪萍，李 璐，趙玉良，李松平，蘇曉玉，崔洪濤，王建華

（1.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.河南省科達(dá)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；3.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；4.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003）

溢洪道作為水庫的重要設(shè)施，在洪水期調(diào)整庫容、宣泄洪水、確保水庫安全方面起著至關(guān)重要的作用，溢洪道體形的合理布置是防洪設(shè)計(jì)的重中之重。根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253—2018）［1］規(guī)定，溢洪道布置應(yīng)使水流順暢，軸線宜取直線。但在實(shí)際工程中受地形及施工條件等限制不可避免地會(huì)采用彎道等布置，水流進(jìn)入彎道后在彎道離心力作用下，流速和水深分布極不均勻，彎道內(nèi)凹凸面會(huì)產(chǎn)生水面落差、橫向沖擊波等，水流經(jīng)過彎道和收縮段后，水流流態(tài)惡化，勢(shì)必影響下游的消能防沖，因此如何改善彎道水流，提高下游消能率是一項(xiàng)亟待解決的難題。目前，國內(nèi)很多學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際對(duì)溢洪道彎道設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究：白繼中［2］結(jié)合申莊水庫溢洪道除險(xiǎn)加固工程，提出了在彎道末端布置橫向挑流坎的方案；羅美蓉［3］為了改善王家廠水庫溢洪道彎道水流流態(tài)，提出了扇形抬高陡坡段泄槽底部高程和加設(shè)分流墩的設(shè)計(jì)方案；趙經(jīng)華等［4］針對(duì)阿不都拉水庫溢洪道彎道消能問題，提出了同時(shí)在第一直線段加糙條和在陡槽彎道段采取渠道超高法削減沖擊波的方案；傅燦等［5］針對(duì)云南省某水庫溢洪道，提出在陡槽彎道段底部垂直布置四道斜檻的方案。以上方案都較好地改善了溢洪道彎道的水流流態(tài)及消能防沖效果。溝水坡水庫興建于20世紀(jì)五六十年代，受先天不足影響險(xiǎn)情不斷，為保證水庫安全，須對(duì)溢洪道進(jìn)行除險(xiǎn)加固。筆者結(jié)合溝水坡水庫溢洪道除險(xiǎn)加固工程，采用幾何比尺為1∶50的水工模型對(duì)溢洪道的水流特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，驗(yàn)證了溢洪道體形的合理性，并提出了改善彎道水流流態(tài)及下游消能效果的優(yōu)化措施。

1 工程概況

溝水坡水庫位于河南省靈寶市大王鎮(zhèn)境內(nèi)的黃河支流好陽河下游，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫，總庫容1 328萬m3。本次除險(xiǎn)加固溢洪道設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇，溢洪道泄水建筑物級(jí)別為3級(jí)，消能防沖工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇。

溢洪道位于大壩左岸，為無閘控制開敞式寬頂溢流堰。溢洪道工程主要由引渠段、溢流堰段、陡坡段、消能工段和尾水渠段組成，溢洪道平面布置見圖1。溢洪道過流斷面為梯形，樁號(hào)溢0-123.278—溢0＋000為引渠段，渠底為平底。溢洪道交通橋位于樁號(hào)溢0-110.483處；樁號(hào)溢0-085.868—溢0-043.674為圓弧轉(zhuǎn)彎段，圓弧半徑87.544 m，圓弧轉(zhuǎn)角為27.62°；溢0-043.674—溢0＋000渠底寬度由55 m漸變至45 m。樁號(hào)溢0＋000—溢0＋010為溢流堰段，平底且底寬45 m。樁號(hào)溢0＋010.0—溢0＋141.4為陡坡段，坡比為1∶4.5；樁號(hào)溢0＋010—溢0＋055，底寬由45 m漸變至28 m。樁號(hào)溢0＋141.4—溢0＋186.4為綜合式消力池消能工段，池深3.2 m，坎高2.0 m，池長45 m，池寬28 m。樁號(hào)溢0＋186.400—溢0＋455.987為尾水渠段，其中：樁號(hào)溢0＋186.400—溢0＋206.727為圓弧段，圓弧半徑為22.325 m，圓弧轉(zhuǎn)角為52.17°，平底，底寬為28 m；樁號(hào)溢0＋206.727—溢0＋455.987底寬為28 m，底板縱向底坡為0.02。

圖1 溢洪道平面布置

2 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況

模型按重力相似準(zhǔn)則［6-7］設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，幾何比尺為1∶50，溢洪道引渠段、溢流堰段、陡坡段、消能工段均采用有機(jī)玻璃制作，下游尾水渠段采用水泥砂漿凈面和拉毛處理，有機(jī)玻璃糙率為0.007 5～0.008 5，溢洪道糙率為0.014～0.015［8］，模型糙率比尺為1.919，滿足阻力相似。

模型長度范圍上游自樁號(hào)溢0-225斷面延伸至整個(gè)庫區(qū)，下游截取至溢洪道尾水渠末端向下55 m，尾水渠末端左右岸沿正交干渠向兩邊各延伸180 m。模型寬度范圍以不影響溢洪道上下游流態(tài)為依據(jù)，上游寬666 m、下游寬295 m。

試驗(yàn)主要測(cè)量水流的流速、壓力、水面線、消能效果等水力特性。本試驗(yàn)采用高水箱循環(huán)供水，模型上游安裝80 cm寬的矩形量水堰測(cè)量模型流量，采用固定測(cè)針、活動(dòng)測(cè)針測(cè)量水位，采用測(cè)壓管測(cè)量壓力［9-10］，采用光電旋槳流速儀測(cè)量流速。

本試驗(yàn)為定床試驗(yàn)，共有3種特征工況［11］：①30 a一遇洪水，庫水位H=435.62 m，設(shè)計(jì)流量492 m3／s；②50 a一遇（設(shè)計(jì)）洪水，庫水位436.56 m，設(shè)計(jì)流量688 m3／s；③1 000 a一遇（校核）洪水，庫水位439.26 m，設(shè)計(jì)流量1 371 m3／s。

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

3.1 泄流能力

3種特征工況下，原設(shè)計(jì)方案實(shí)測(cè)泄流能力見表1。工況①溢洪道實(shí)測(cè)流量為529 m3／s，比原設(shè)計(jì)值增加7.52%；工況②溢洪道實(shí)測(cè)流量為769 m3／s，比原設(shè)計(jì)值增加11.77%；工況③實(shí)測(cè)流量為1 598 m3／s，比原設(shè)計(jì)值增加16.56%。流量系數(shù)介于0.346～0.388之間并隨著水位的上升逐漸增大。溢洪道的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 模型實(shí)測(cè)泄流能力

3.2 水流流態(tài)及流速

工況①溢洪道進(jìn)口水面平穩(wěn)，樁號(hào)溢0-123.278處流速約0.8 m／s，進(jìn)口左右兩邊墻處形成小的跌水，交通橋橋墩處形成水冠，橋墩之后形成跌水，橋墩上下游水面差約1.0 m。水流進(jìn)入彎道后受離心力作用，水面左高右低，彎道水流經(jīng)過引渠段和陡坡段的收縮折沖形成菱形波，交匯于樁號(hào)溢0＋049處，主流偏向右岸，水流入消力池的水舌不對(duì)稱，消力池形成不穩(wěn)定水躍，躍首最前端位于樁號(hào)溢0＋136斷面，最大流速為19.51 m／s，水躍在消力池內(nèi)頂沖消力坎后形成逆時(shí)針旋渦，分別沿兩岸回流而上。水流過消力坎后形成跌水，消力坎后彎道處水流上一級(jí)馬道，水流過彎道后在尾水渠擺動(dòng)較大，在樁號(hào)溢0＋321斷面附近形成二次水躍，尾水渠邊墻高度不夠。水流出尾水渠后與干渠正交，受對(duì)面山體頂沖一部分沿河道向上，在樁號(hào)溢0＋331斷面到生產(chǎn)橋右岸形成回流區(qū)，大部分沿河道向下。工況①溢洪道水流流態(tài)見圖2，工況②和工況③水流流態(tài)與工況①基本相似。

圖2 工況①溢洪道水流流態(tài)

3.3 壓力及沿程水面線

溢洪道3種特征工況下全程無負(fù)壓，壓力分布良好。

3種特征工況下，溢洪道進(jìn)口引渠段、溢流堰段和陡坡段泄槽邊墻高度均滿足要求，消力池消力坎樁號(hào)溢0＋183.90斷面附近左右岸水流出現(xiàn)溢槽現(xiàn)象。溢洪道進(jìn)口樁號(hào)溢0-085.868—溢0-043.674彎道段左右岸最大水位差為1.09 m，消力池后樁號(hào)溢0＋186.400—溢0＋206.727彎道段左右岸最大水位差為2.27 m。由于尾水渠與下游干渠正交，因此尾水水流受對(duì)面山體頂沖，工況①尾水渠樁號(hào)溢0＋341.727以下左右岸邊墻高度不夠，需對(duì)尾水渠體形進(jìn)行優(yōu)化。

3.4 消力池消能效果

水躍形狀決定于躍前斷面急流的弗勞德數(shù)，弗勞德數(shù)越大，消能率越高。為分析消力池的消能效果，對(duì)水躍的弗勞德數(shù)和消能率進(jìn)行計(jì)算：

式中：Fr1為躍前斷面急流的弗勞德數(shù)；v1為躍前斷面水流的平均流速；h1為躍前斷面的水深；g為重力加速度。

式中：K為消能率；ΔE為水躍段的消能量；E1為躍前斷面的單位能量；E2為躍后斷面的單位能量。

通過計(jì)算可知，工況①、工況②和工況③對(duì)應(yīng)的Fr1分別為2.87、3.17和3.31，2.5＜Fr1＜4.5，均屬于顫動(dòng)水躍，消能率分別為25%、28%和30%，消力池消能效果不佳。

4 改善彎道水流及提高下游消能率的措施

受先天地形限制，原設(shè)計(jì)方案水流在引水渠彎道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在離心力作用下水面出現(xiàn)左高右低現(xiàn)象，水流經(jīng)由彎道段進(jìn)入溢流堰段后，渠道斷面束窄的原因?qū)е孪滦购樗谝绾榈蓝钙露涡纬闪庑嗡?。菱形水流行進(jìn)過程中向右遷移，水流不居中，下泄水流直接頂沖消力池右岸，消力池內(nèi)水流紊亂，水躍不穩(wěn)定，消力池消力坎兩岸有水流溢槽現(xiàn)象，且消能效果不佳。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)消力池設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，對(duì)于綜合式消力池的計(jì)算按照如下思路：先假定下游發(fā)生臨界水躍，求所需的坎高和池深，然后求由臨界水躍轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎]水躍所需的坎高和池深。

經(jīng)計(jì)算，工況①30 a一遇洪水條件下，堰上水頭為31.97 m，下游水深為3.79 m，按照無收縮溢洪道計(jì)算，消力池深度應(yīng)為3.3 m，消力池長度范圍應(yīng)為48.6～55.54 m。原消力池設(shè)計(jì)方案中的池深3.2 m，消力坎高2 m，消力池長45 m，稍小于計(jì)算值。但原設(shè)計(jì)方案中溢洪道有多處收縮，增大了水流流動(dòng)的不穩(wěn)定性，原消力池的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所提高，但考慮到溝水坡水庫下游地形的限制，消力池的設(shè)計(jì)可按照原設(shè)計(jì)方案執(zhí)行。為了改善水流流態(tài)及消力池的消能效果［12-14］，筆者提出渠底超高橫向坡降法和溢流堰段增設(shè)導(dǎo)流墩法兩種解決方案。

4.1 渠底超高橫向坡降法

為調(diào)整引水渠彎道段橫斷面邊坡，調(diào)節(jié)溢洪道進(jìn)口流量分布，使單寬流量盡可能均勻，減小菱形波橫向遷移，根據(jù)水力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，水流運(yùn)動(dòng)平衡方程為

式中：φ為渠底與水平面夾角；v為單曲起始斷面平均速度；rc為彎道段中線曲率半徑；Δm為水質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量。

渠底超高橫向坡降為

經(jīng)計(jì)算，工況①30 a一遇洪水對(duì)應(yīng)底坡i=0.009 091，因此底坡i設(shè)定為0.009，邊坡變化起始樁號(hào)為溢0-085.868，結(jié)束樁號(hào)為溢0-043.674，具體設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 引渠彎道橫斷面底坡設(shè)計(jì)

采用改變引水渠彎道底坡的方法調(diào)節(jié)流量分布的方案與原設(shè)計(jì)方案相比，消力池水流流態(tài)、消力池與尾水渠段水流銜接相對(duì)有所改善，但改善效果不顯著，這主要受溢洪道進(jìn)口來流角度影響。

4.2 溢流堰段增設(shè)導(dǎo)流墩法

溝水坡水庫溢洪道水流流態(tài)和下游消能效果不佳，除引渠段彎道布置外，主流與引水渠進(jìn)口軸線偏離和泄槽邊界收縮也是原因之一，因此單靠改變引水渠彎道底坡的方法效果不顯著。經(jīng)過多方案對(duì)比，在溢洪道溢流堰段樁號(hào)溢0＋006.35處向上游至樁號(hào)溢0-001.76增設(shè)一個(gè)長為10 m、寬為1 m、高為5 m的導(dǎo)流墩，可有效改善水流不均勻分布的狀態(tài)，使下泄水流均勻居中，降低菱形水流對(duì)平面的影響，從而改善水流流態(tài)及下游消能效果。導(dǎo)流墩具體布置見圖4。

圖4 導(dǎo)流墩布置

導(dǎo)流墩的設(shè)置首先要滿足水位流量關(guān)系，保證水庫泄流安全。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，3種特征工況下，溢流堰段增設(shè)導(dǎo)流墩后，雖然有所阻水，但不影響泄流安全。導(dǎo)流墩的長、寬、高及角度是經(jīng)過多方案系統(tǒng)研究后擇優(yōu)選取的，增設(shè)導(dǎo)流墩后溢洪道的泄流能力能滿足設(shè)計(jì)要求。

增設(shè)導(dǎo)流墩后，導(dǎo)流墩左右兩側(cè)形成明顯的水面差，工況①導(dǎo)流墩墩頭處右側(cè)水深為3.65 m，左側(cè)水深為0.05 m，兩側(cè)水位差為3.60 m；墩尾處右側(cè)水深為2.75 m，左側(cè)水深為1.40 m，兩側(cè)水位差為1.35 m，水流在墩尾處形成水冠。水流過溢流堰段后在陡坡段形成菱形波，菱形波交匯于樁號(hào)溢0＋080處，陡坡段水深分布較為均勻，流態(tài)較原設(shè)計(jì)方案明顯改善，左右兩側(cè)水舌分布對(duì)稱，水舌入消力池后主流居中，水流頂沖到消力坎后，在左右兩側(cè)形成回流，水躍較為穩(wěn)定，消力池內(nèi)水流沒有溢槽現(xiàn)象。水流出消力池后形成二次水躍，躍首斜向分布，躍首左側(cè)位于消力坎，右側(cè)位于樁號(hào)溢0＋236處，水流在尾水渠內(nèi)波動(dòng)較大，受出口頂托在樁號(hào)溢0＋341附近形成三次水躍，尾水渠邊墻高度不夠。工況①溢洪道溢流堰段增設(shè)導(dǎo)流墩后水流流態(tài)見圖5，工況②和工況③的水流流態(tài)與工況①基本相似，但消力坎附近左右岸水流間歇性竄上二級(jí)馬道。

圖5 工況①溢洪道溢流堰段增設(shè)導(dǎo)流墩后水流流態(tài)

根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算可知，增設(shè)導(dǎo)流墩后，工況①、工況②和工況③對(duì)應(yīng)的Fr1分別為4.58、4.60和4.23，消能率分別為45%、46%和42%，水躍保持穩(wěn)定的均衡狀態(tài)，消力池消能效果顯著提高。

5 結(jié) 論

通過模型試驗(yàn)研究了溝水坡水庫溢洪道原設(shè)計(jì)方案3種工況的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從泄流能力、流態(tài)及消能效果等方面分析了溢洪道體形的合理性，并針對(duì)彎道水流流態(tài)及下游消能存在的問題提出了改善措施。試驗(yàn)結(jié)果表明：渠底超高橫向坡降法在解決單一彎道水流流態(tài)問題時(shí)往往效果顯著，但對(duì)于體形復(fù)雜的彎道水流流態(tài)的改善效果有限；溢流堰段增設(shè)導(dǎo)流墩后，水流流態(tài)較原設(shè)計(jì)方案明顯改善，陡坡段水流分布均勻，水流入消力池后水舌對(duì)稱且主流居中，水躍穩(wěn)定；對(duì)應(yīng)3種工況消力池的消能率由25%、28%和30%分別提升到45%、46%和42%，不僅消能效果提升顯著，而且減少了水流對(duì)右岸邊坡的淘刷，因此建議采用溢流堰段增設(shè)導(dǎo)流墩法來改善彎道水流流態(tài)及下游消能效果。