溢洪道渠首優(yōu)化試驗(yàn)研究

李新穎，補(bǔ)金梓，路 易

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550081）

溢洪道作為樞紐區(qū)重要的泄水建筑物，其布置形式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于汛期的大壩安全穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。隨著我國(guó)水利工程的發(fā)展，對(duì)溢洪道渠首的研究也逐漸深入。郭紅民[1]以實(shí)際水庫(kù)工程為例，結(jié)合物理模型和數(shù)值模擬，比較了溢洪道進(jìn)口側(cè)邊結(jié)構(gòu)采用局部削坡、弧形垂直翼墻、變坡翼墻等方案，通過(guò)觀察進(jìn)口水流流態(tài)、流速、漩渦、紊動(dòng)能及水面變化等水力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)采用弧形垂直翼墻的方案可減緩進(jìn)口的不利流態(tài),達(dá)到進(jìn)口水流平穩(wěn)的目的。譚宇靜[2]將原設(shè)計(jì)方案中的喇叭口翼墻調(diào)整為平直設(shè)計(jì)并與溢洪道的中軸線平行，對(duì)溢洪道非對(duì)稱(chēng)進(jìn)口導(dǎo)流墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，明顯的改善了水流流態(tài)，提高了溢洪道沿程的水位分布均勻度。柏劍[3]通過(guò)對(duì)溢洪道進(jìn)口形式、底寬、比降進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)口段增設(shè)齒墻、增加進(jìn)口邊墻高度，并結(jié)合控制段、明渠段、泄槽段的等優(yōu)化調(diào)整，提高原有水庫(kù)的泄流能力及安全系數(shù)，降低了汛期的安全隱患。

本文以實(shí)際工程為依托，結(jié)合物理模型試驗(yàn)，對(duì)溢洪道渠首的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行研究并提出優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化后的泄流能力、流態(tài)及水力特性進(jìn)行分析，為工程的后續(xù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況及試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

該工程為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 305.60m，河床段趾板建基面高程1 233.4m，最大壩高72.20m；壩頂寬7.0m（凈寬），最大壩底寬250m；壩 軸 線 方 位 角 為N17.31°E， 壩 頂 長(zhǎng)168.62m。

壩址以上控制集水面積55.5km2，多年平均流1.33m3/s，多年平均年徑流量4 186萬(wàn)m3。水庫(kù)的主要任務(wù)是供水及灌溉。工程建成后，將有效解決附近集鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)8.0萬(wàn)人城市用水、鄰近村寨1.5萬(wàn)農(nóng)村居民人畜用水；日供水量為3.44萬(wàn)m3/d，年供水量為1 256萬(wàn)m3/年；同時(shí)向周邊7 450畝耕地提供農(nóng)灌用水，多年平均年供水量為237萬(wàn)m3，80%保證率的年灌溉水量為270萬(wàn)m3。

溢洪道布置在左壩端，為開(kāi)敞式無(wú)閘側(cè)堰溢洪道，溢流凈寬32.0m，堰型為WES實(shí)用堰，堰面曲線采用冪曲線y=0.186x1.85，堰頂高程為1 301.0m，橋面高程為1 305.60m，溢洪道由進(jìn)水渠、側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽、消能工和下游海曼段組成，總長(zhǎng)316.03m（含引渠和海曼段）。側(cè)槽段凈寬32m，泄槽凈寬度為12m，泄槽底坡為：溢0+000.00—溢0+045.00段 底 坡i=0.0653；溢0+053.91—溢0+161.09段底坡i=0.51，中間采用拋物線y=0.065x+0.025x2銜接。泄槽采用C30混凝土襯砌，泄槽邊墻高4.5m，邊墻厚度為1.0m，底板厚1.0m。工程采用底流消能的方式進(jìn)行消能，消力池池長(zhǎng)60m，池寬底板頂面高程1 235.00m，底板厚度3.0m。消力池后設(shè)100m長(zhǎng)C25混凝土海曼至取水放空建筑物出口。

通常，在初步設(shè)計(jì)方案擬定后，通過(guò)水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證原設(shè)計(jì)方案的合理性、可靠性及科學(xué)性[4-6]，本試驗(yàn)的目的為驗(yàn)證溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置，進(jìn)一步優(yōu)化溢洪道布置及體型設(shè)計(jì)；驗(yàn)證下游消能效果，使消能效果達(dá)到最佳。

2 水力模型試驗(yàn)過(guò)程

2.1 模型設(shè)計(jì)

本模型試驗(yàn)主要對(duì)水位—流量關(guān)系、流態(tài)、溢洪道水力特性、下游河道流場(chǎng)及岸邊水面高程等問(wèn)題進(jìn)行研究。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[7-9]，模型比尺為1：40的正態(tài)模型，各物理量的相似關(guān)系如下：

模型庫(kù)區(qū)和下游河道采用混凝土參照原始地形修建而成（模型糙率通過(guò)比尺換算得到并盡量保證二者相似）；溢流壩面及放空底孔采用透明有機(jī)玻璃制作，使流態(tài)清晰可見(jiàn)，便于觀察。試驗(yàn)中壓力測(cè)量采用測(cè)壓管方法。

根據(jù)設(shè)計(jì)給定混凝土建筑物原型糙率約為n＝0.014，則沿程阻力相似所要求的模型糙率應(yīng)為nm=0.0076，根據(jù)大量模型試驗(yàn)驗(yàn)證有機(jī)玻璃模型糙率約為0.0078—0.0082，兩者差別小，因此認(rèn)為模型糙率基本相似。初步設(shè)計(jì)特征水位見(jiàn)表1。

表1 特征水位泄量關(guān)系

模型的整體布置情況如圖1所示。

圖1 模型試驗(yàn)全景

2.2 初設(shè)模型試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 泄流能力

通過(guò)對(duì)不同水位條件下模型的泄流能力進(jìn)行分析，得到水位、流量、以及流量系數(shù)三者之間的關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 初設(shè)模型泄流能力

從計(jì)算結(jié)果可知，溢洪道流量系數(shù)整體呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)水庫(kù)水位較小時(shí)，溢流堰過(guò)流能力受邊界影響相對(duì)較大，流量系數(shù)相對(duì)較?。浑S著庫(kù)水位的逐漸增大，邊界對(duì)溢流堰泄流能力的影響逐漸減弱，流量系數(shù)逐漸增大；當(dāng)庫(kù)水位繼續(xù)增大至一定程度時(shí)，堰下水深較大，并出現(xiàn)了一定程度的淹沒(méi)現(xiàn)象，導(dǎo)致流量系數(shù)在高水位時(shí)溢流堰流量系數(shù)相比之前減小。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到在校核水位1 304.58m時(shí)，溢流堰泄流為430.86m3/s，小于設(shè)計(jì)值463m3/s。

2.2.2 流態(tài)

初設(shè)模型中不同工況下溢流堰進(jìn)口（圖3a）水流較為平順，進(jìn)口右側(cè)導(dǎo)墻基本未出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，但左側(cè)導(dǎo)墻均出現(xiàn)了相對(duì)較強(qiáng)的繞流，同時(shí)校核工況堰下水深較高，出現(xiàn)較強(qiáng)的淹沒(méi)，一定程度上削弱了溢流堰的過(guò)流能力。

其次，從摻氣坎（圖3b）起始位置的水流流態(tài)來(lái)看，摻氣坎前水流比較均勻，引渠段由于過(guò)流邊界不對(duì)稱(chēng)而產(chǎn)生的折沖現(xiàn)象在摻氣坎位置已經(jīng)基本消失。不同工況下?lián)綒饪矒綒饬己茫涨怀掷m(xù)穩(wěn)定貫通，挑射水舌穩(wěn)定，通氣豎井補(bǔ)氣充分，通氣豎井尺寸滿(mǎn)足要求。但由于摻氣挑坎的挑角稍微偏大，因此在保持坎高不變的前提下，可適當(dāng)減小摻氣坎坡度，減弱挑流水舌對(duì)泄槽底板的沖擊作用。

圖3 消能防沖工況流態(tài)（P=3.33%）

初設(shè)模型中不同工況下消力池（圖3c）消能充分，消力池池長(zhǎng)滿(mǎn)足要求，消力池與下游河道銜接較為順暢，根據(jù)地形條件消力池出口左邊墻距離下游左岸（圖3d）護(hù)岸尚有一定距離，即該區(qū)域水流未能完全被利用；從現(xiàn)場(chǎng)模型中觀察到消力池出口右側(cè)水流直沖右防護(hù)岸，從工程安全角度出發(fā)，應(yīng)對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化處理。

2.3 模型優(yōu)化

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)溢洪道設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。具體為：

（1）為減弱堰前繞流，增大溢流堰過(guò)流能力，將堰前左側(cè)直導(dǎo)墻改為圓弧導(dǎo)墻，圓弧半徑R=15.0m，圓心角θ=40.07°；進(jìn)口右側(cè)導(dǎo)墻同樣做導(dǎo)圓處理，圓弧半徑R=1.39m；將溢流堰右側(cè)導(dǎo)墻與泄槽邊墻銜接的小圓弧半徑增大至R=6.00m，圓心角θ=72.59°；另外，由于本工程為土石壩，溢流堰具有一定的超泄能力，將堰頂寬度從32m增加至34m，如圖4所示。

圖4 溢洪道進(jìn)口模型優(yōu)化方案

（2）為充分利用消力池的效能效果，并防止右岸側(cè)防護(hù)岸被長(zhǎng)期沖擊，將初步設(shè)計(jì)中的平角出口調(diào)整為圓角出口，左側(cè)邊墻起弧點(diǎn)位置提前至溢0+201.09，圓弧半徑R=20.00m，如圖5所示。

圖5 消力池出口模型優(yōu)化方案

（3）由于堰后存在較強(qiáng)的淹沒(méi)，降低溢流堰的過(guò)流能力。為降低堰后水深、減少淹沒(méi)，可將調(diào)整段末端高1m的坎取消，泄槽底板i=0.0015和i=0.0653采用直接銜接；側(cè)槽段與調(diào)整段i=0.0015的底坡調(diào)整為平坡，平坡終點(diǎn)樁號(hào)溢0+006.00，其后通過(guò)i=0.05128的斜坡與銜接曲線起始點(diǎn)進(jìn)行銜接，如圖6所示。

圖6 泄槽底板模型優(yōu)化方案

2.4 優(yōu)化后模型性能研究

2.4.1 泄流能力

與優(yōu)化前相比，流量系數(shù)的變化趨勢(shì)基本不變。隨著庫(kù)水位的逐漸升高，溢洪道流量系數(shù)先逐漸增大，水庫(kù)水位較小時(shí)溢流堰過(guò)流能力受邊界影響相對(duì)較大，流量系數(shù)相對(duì)減??；隨著水位的逐漸增大，邊界對(duì)溢流堰泄流能力的影響逐漸減弱，流量系數(shù)逐漸增大并趨于穩(wěn)定；隨著流量繼續(xù)增大，堰下水流淹沒(méi)的影響趨于明顯，流量系數(shù)有所減小。校核水位1 304.71m時(shí)，溢流堰泄流474.60m3/s，大于設(shè)計(jì)值463m3/s，溢洪道泄流能力滿(mǎn)足要求，優(yōu)化后的模型泄流能力比初設(shè)模型有所提高，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后模型泄流能力

2.4.2 流態(tài)

從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（圖8）可以看到，增設(shè)左側(cè)圓弧導(dǎo)墻并將右側(cè)導(dǎo)墻導(dǎo)圓后，溢流堰進(jìn)口水流平順，基本沒(méi)有繞流產(chǎn)生。堰下水流產(chǎn)生的輕微水流折沖現(xiàn)象也不會(huì)對(duì)溢洪道側(cè)墻結(jié)構(gòu)造成過(guò)大的影響，可不予考慮。從摻氣坎起始位置的水流流態(tài)也可以看到，在摻氣坎前水流已經(jīng)調(diào)整得比較均勻。

圖8 優(yōu)化后模型流態(tài)

不同工況下?lián)綒饪矒綒饬己茫涨怀掷m(xù)穩(wěn)定貫通，挑射水舌穩(wěn)定，不同工況下?lián)綒饪涨婚L(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖9。隨著泄流量的減小，空腔長(zhǎng)度也逐漸減小，摻氣坎設(shè)計(jì)體型滿(mǎn)足要求。

圖9 優(yōu)化前后摻氣坎空腔長(zhǎng)度對(duì)比

不同工況下消力池消能充分，池長(zhǎng)與池深滿(mǎn)足要求；消力池與下游河道銜接較為順暢，基本未出現(xiàn)水流頂沖對(duì)岸的不利現(xiàn)象。將消力池出口邊墻向左岸導(dǎo)圓后（圖10），校核工況下出池水流明顯向左岸偏轉(zhuǎn)，有利于右岸岸坡的防沖，其余工況由于流量較小，流態(tài)未有明顯變化。

圖10 消力池出口水流流態(tài)

2.4.3 溢洪道水力特性

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的模型觀測(cè)，不同工況下溢洪道過(guò)流面的壓強(qiáng)未出現(xiàn)負(fù)壓狀況，且沿程水面波動(dòng)較小且壓強(qiáng)基本沒(méi)有出現(xiàn)較大的異常突變，同時(shí)各部位空化數(shù)均大于0.3（圖11），滿(mǎn)足抗空化要求。

圖11 優(yōu)化模型水力特性

3 結(jié)論

1、通過(guò)在溢流堰進(jìn)口兩側(cè)設(shè)圓弧導(dǎo)墻來(lái)減弱繞流，取消側(cè)槽調(diào)整段的1m高尾坎，堰寬增大至34m后，溢洪道泄流能力得到了顯著提高，校核水位1 304.71m時(shí)，溢流堰泄流474.60m3/s，大于設(shè)計(jì)值463m3/s，溢洪道泄流能力滿(mǎn)足要求。

2、摻氣坎摻氣充分，摻氣空腔穩(wěn)定貫通，摻氣坎與補(bǔ)氣豎井尺寸合理；在不改變坎高的前提下，適當(dāng)減小摻氣坎坡度，有助于減弱挑射水舌對(duì)泄槽底板的沖擊作用。

3、不同工況條件下消力池消能充分，池內(nèi)發(fā)生淹沒(méi)式水躍，消力池池長(zhǎng)滿(mǎn)足要求?！?/p>