淺談環型溢洪道的設計

【摘 要】利用旋流場理論分析，大膽、巧妙地將環型堰與消力井相結合，采用簡便可行設置防渦墩和外防渦墻的環型溢洪道泄流消能方式。成功地解決了進口流速較大且流速分布極不均勻，水力條件較為復雜的泄流和消能問題。再經兩個水文年的溢洪實踐，表明該設計與研究在滿足泄洪和消能方面均達到設計預期效果。并比常規的設計可節約工程投資的1/4∽1/3；而且更為安全可靠。對在城市防洪排澇；中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中；山區狹長水庫行近流速比較大或切向流速比較大的水庫中，均具有良好的推廣價值。

【關鍵詞】環型溢洪道；旋流；消能；防渦設施；設計與試驗研究

1. 工程概況

某河流流域面積為21Km²，為山區雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，漲峰歷時短的特點。城市的發展導致地面硬化，水流下滲量減少，加大短時地表徑流。由于歷史的原因，河道過水斷面減小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地勢低洼，致使上游地區及市區暴雨強度較大時，極易形成內澇，給人民生命財產帶來巨大的損失。 為解決水環境問題，擬在修建一條排污分洪隧洞。

工程的主要任務是分泄河道汛期大部分洪水，提高防洪能力。樞紐工程由環型溢洪道、隧洞等兩大部分組成，其最大排洪量為100m³/s。

2. 進口方案比較

為減少洪水對工程的影響，該工程分洪隧洞的進口引渠與河道呈83°的交角；該河道河槽底部高程1062m，設計水位時的流速為V0=4.97m/s，這有別于水庫近似V0=0m/s行進流速。在布置設計時研究過三種可能的布置形式：

2.1 豎井式溢洪道。傳統的豎井式溢洪道由環型堰、漸變段、豎井、彎管及泄水隧洞進口四部分組成。其消能機理是，當環型堰進口曲線下端的高速水流脫離井壁時，挾帶空氣射入消力井中，與井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根據其消能機理在布置設計其需要一段較長的漸變段、豎井、彎管來控制水流，使水流在其中充分消能。

2.2 環型溢洪道。環型溢洪道由環型堰、消力井和消力井三部分組成。與豎井式溢洪道相比其少了漸變段、豎井、彎管，增加了消力井。其消能機理是，經過引渠引入的水流，進入環型堰進口時，在環型堰曲線下端形成高速射流，脫離環型堰壁后，挾帶空氣射入消力井中，與消力井的水墊相互碰撞消能。

2.3 龍抬頭式溢洪道+消力池消能。采用龍抬頭式實用堰引流，使水流進入消力池消能。豎井式溢洪道與環型溢洪道相比雖然工程投資相當，但其水墊較淺，消能效果沒有環型溢洪道的好；再加上受漸變段、豎井，尤其彎管的曲率半徑R不能滿足2～5倍控制段直徑要求，使得輸水隧洞內會出現不穩定的流態，甚至在彎管部位會出現很大的負壓。而環型溢洪道正好克服了這些缺點被確定為實施方案。環型溢洪道與龍抬頭式溢洪道+消力池消能相比減少占地約40%.綜上所述，從經濟和社會效益上分析，采用較安全可靠的環型溢洪道比采用豎井式溢洪道、龍抬頭式溢洪道+消力池消能均節約投資1/4～1/3，并減少占地約40%.而且更為安全可靠，大大降低泄洪的聲響及水霧，大大提高防洪能力，工程的建成并不對周邊的環境帶來不利的影響。

3. 環型溢洪道的設計

該工程按200年一遇洪水標準設計，按《防洪標準》（GB50201-94）的規定，本工程等別為II等，環型溢洪道等永久建筑的級別為2級。環型溢洪道由引渠、環型堰、消力井三部分組成。

3.1 環型溢洪道的理論分析。由于本工程受其用地的限制，進口引渠位于距河道轉彎上游凸岸一側的約25m的河道上，該處河道水流流速約4m/s，使得進口引渠的水流有偏流現象，水面高差0.5～0.8m.由于偏流的存在，環型溢洪道水力學參數的求解必須借助于旋流理論根據質量守恒及動量守恒導出的連續性方程與動量方程（又稱N-S方程）：

3.2 環型堰設計。

3.2.1 定型水頭的確定 現行《溢洪道設計規范》SL253-2000明確規定：當采用低堰時其定型水頭取Hd=0.65∽0.85Hmax，結合本工程大多數情況是在低水頭運行和洪水有陡漲陡落的特點；同時考慮到引渠內有4m/s左右的的初始流速，為增加泄流量，確定采用定型水頭Hd=0.808Hmax的定型水頭。

3.2.2 圓形控制段半徑的計算 已知該工程的該工程的分洪流量為100m³/s，根據堰流流量公式。

3.2.3 堰面曲線的設計。根據進口處的實際地形條件環型溢流堰布設為低堰，堰高Hp=0.5m.堰面曲線的設計象一般實用堰和豎井式溢洪道一樣，環型堰的形狀（漏斗段）是根據銳緣薄壁環堰的水舌下緣剖面繪制。R堰頂半徑為3.3m及Hp=0.5m，根據Hp/R及定型水頭Hd查文獻1上的相應表可得的堰面曲線坐標。

3.3 消力井的初步設計。現行《水工隧洞設計規范》SD134-84規定，混凝土襯砌隧洞要防止高速水流的沖刷，噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s。根據動勢能轉換原理可求得本工程跌落進消力井水舌的入水流速V=16m/s。大于噴錨襯砌的允許流速，接近高速水流的范疇。為減少對隧洞的沖刷降低流速，必須采取消能措施進行消能。本工程擬采用的消能措施是消力井。其幾何尺寸主要是先根據跌落進池中水流共軛水深和水躍長度初步確定，經計算本工程的共軛水深為4.6m；水躍長度6.4m.考率到本工程的進口流態較復雜，為工程的安全，在布置設計時考慮充分的消能率池深取為5.21m，直徑為8.6m.

因此，還需用水力試驗來加以研究確定，并為類似的工程提供一個比較簡單易懂的數據。

3.4 理論消能率的計算。消能率是評價消能工消能效果的一個指標，其等于經過消能的能量損失與泄洪隧洞進口段總能量之比；而經過消能的能量損失等于該泄洪隧洞進口段總能量減去隧洞進口段總的能量之和。經計算隧洞洞內在設計水位時的流速為4.1m/s，則消力井的理論消能率為73%.以就是說跌落進消力井水舌的入水流速V=16m/s的水流，在進洞時其流速接近洞內在設計水位時的流速為4.1m/s，則表明消能較好。在工程布置時還需研究合理可行的消能放渦設施。以用于提高其消能率。

4. 試驗研究環型溢洪道是一種新泄洪方式，工程實例較為少見

對于偏流現象目前還不能對之進行較為精確的水力學計算。亦不能計算進口河道偏流對環型堰泄流能力的影響；以及為對防渦設施的進一步研究，為樞紐建筑物的結構布置提供試驗依據。這也是進行水工模型試驗的目的。

試驗主要研究泄洪隧洞單獨泄洪和泄洪隧洞與下游河道聯合泄洪兩種方式。上游河道控制最高水位1067.00m時，泄洪隧洞單獨泄洪最大泄流量100.00m³/s，泄洪隧洞與下游河道聯合泄洪時，最大泄流量140.00m³/s，下游河道控制流量40.00m³/s，泄洪隧洞泄洪流量100.00m³/s。水工模型按重力相似準則設計為正態模型，幾何比尺采用1：20，滿足糙率相似。經過對五種方案的試驗研究，實測了模型中的各種水力參數、流態和消能特性，并為工程設計推薦了一個比較合理的方案。

4.1 進流水力特性。本工程引渠方向與河道呈83°的交角，使得行近水流具有較大的初始環量，造成進流流速分布極不均勻，引渠左右流速差達4.00m/s.且存在較大橫向水面差，橫向水面差值為0.5～0.8m.并且在進口上游無任何調節及穩流設施，水流從河道經寬頂堰直接進入環型溢洪道，致使水流流速較大，高達8m/s，極大影響了進流流態。若不采用防渦設施或采用不當，將會使環型溢洪道的下泄水流產生較強的豎軸吸氣旋渦，產生巨大的聲響。同樣由于環型溢洪道周邊進流分布極不均勻，在環型溢洪道面上產生局部負壓，對建筑結構極為不利，嚴重降低了環型溢洪道的泄流量，使上游河道水位大幅度升高。

在泄洪隧洞與下游河道聯合泄洪方式時，由于下游河道泄流，環型溢洪道引渠進口水流的主流下移，致使進口的進水角增大，增大了行近水流的初始環量，加劇了環型溢洪道的橫向繞流，最大橫向繞流流速達10.89m/s，水流流態更加紊亂，同樣若不采取工程措施，將會使得豎向環型溢洪道在聯合泄流時較單獨泄流時的泄流量要低。

4.2 防渦設施的確定。該工程環型溢洪道來流流速較大，偏流現象嚴重，流速分布極不均勻，在環型溢洪堰前產生較大的橫向繞流，水流流態更加紊亂，影響泄流。設計時擬在堰頂上布置了四個防渦墩的工程措施，但對于其防渦效果如何，還需進行試驗進行研究。

4.2.1 不設防渦設施。不設防渦設施時，由于受到上游來水極不均勻的影響，在環型溢洪道前產生較大的橫向流速，導致水流的旋轉，隨著流量的增加進口漩渦直徑及強度亦逐漸加大，溢流能力較低。在流量Q＝61.00m³/s環型溢洪道單獨泄流時，進口旋渦直徑5.60m，并伴隨著巨大的聲響，上游河道水位1067.14m，已超過最高防洪水位。

4.2.2 環型溢洪道周邊設3個防渦墩在環型溢洪道周邊設3個防渦墩，墩與墩之間夾角12°，墩的位置經試驗調整確定，1＃墩軸線與引渠對稱中線的夾角25°。

受水力條件的影響，環型溢洪道周邊存在旋轉水流，流態紊亂，環型溢洪道周邊進水不均勻。在環型溢洪道單獨泄流流量Q＝100.00m³/s時，上游河道水位1066.24m。在環型溢洪道與下游河道聯合泄流流量Q＝140.00m³/s時，環型溢洪道后側的橫向流速為10.89m/s，上游河道水位1067.42m，超過校核水位0.42m。

4.2.3 環型溢洪道周邊設4個防渦墩在環型溢洪道周邊設4個防渦墩，墩與墩之間夾角90°，1＃墩軸線與引渠對稱中線的夾角45°（該方案為原設計方案）。在環型溢洪道周邊存在旋轉水流，流態紊亂，環型溢洪道周邊進水不均勻，在環型溢洪道上游的右側1#防渦墩下游溢流面上產生負壓，最大負壓值為1.25mH2O。在環型溢洪道單獨泄流流量Q＝100.00m³/s時，上游河道水位1066.30m.在環型溢洪道與下游河道聯合泄流流量Q＝140.00m³/s時，上游河道水位1067.50m，超過校核水位0.50m。

4.2.4 設3個防渦墩和1個外防渦墻 根據在環型溢洪道周邊設3個防渦墩方案與設4個防渦墩的方案試驗成果比較，選定在設3個周邊防渦墩方案的基礎上，經不同位置和尺寸的比較試驗，在環型溢洪道的橫向對稱線上的右側邊墻布置一寬為1.90m的外防渦墻。

外防渦墻截擋了右側的較大偏向水流流速，減小了環型溢洪道周邊的橫向繞流流速，但環型溢洪道周邊還存在旋轉水流，流態紊亂，環型溢洪道周邊進水不均勻，該方案水流條件較其它方案均有較大的改善。在環型溢洪道單獨泄流流量Q＝100.00m³/s時，上游河道水位1066.18m.在環型溢洪道與下游河道聯合泄流流量Q＝140.00m³/s時，環型溢洪道后側的橫向流速為5.34m/s，上游河道水位1066.88m，低于校核水位0.12m。

4.2.5 設3個防渦墩和2個外防渦墻 在環型溢洪道周邊設3個防渦墩、1個外防渦墻方案的基礎上，在環型溢洪道1＃防渦墩的對稱沿長線的邊墻上布置一寬為1.90m的外防渦墻，成為3個周邊防渦墩和2個外防渦墻方案（該方案為終結方案）。

5. 試驗研究成果分析

5.1 試驗成果。對該分洪隧洞工程的進口樞紐，進行了五種大方案十余種防渦墩布置方案的試驗研究，對于環型溢洪道要使來水均勻地進入環型溢洪道，不發生旋轉流動，僅僅具有適合的引水渠輪廓尚不能獲得成功，還要根據工程的具體水力邊界條件，必需采用相應的防止漩渦的設施。環型溢洪道僅在周邊設置防渦墩方案與環型溢洪道周邊設置防渦墩和外防渦墻共同使用方案比較，在環型溢洪道單獨泄流情況下，在Q＝100.00m³/s時，寬頂堰出口平均流速，左右側流速差從1.83m/s減至0.11m/s，在環型溢洪道與下游河道聯合泄流流量Q＝140.00m³/s時，寬頂堰出口平均流速，左右側流速差從4.04m/s減至1.57m/s，在環型溢洪道單獨泄流Q＝100.00m³/s時，上游河道水位從1066.24m降至1066.18m，在環型溢洪道與下游河道聯合泄流流量Q＝140.00m³/s時，上游河道水位從1067.42m降至1066.38m，效果明顯。

根據試驗結果，將原設計環型堰上布置有4個防渦墩減少為3個，為更好的防止渦流的產生，在引渠邊墻增加兩道防渦墻。試驗表明設計泄洪量Q=100m³/s時，最大動水壓力為18.6mH20，最大沖擊流速為8.7m/s；較入射水流流速V=16m/s減小了進一半，基本滿足了噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s的要求。此時的消能率為58.2%，為理論消能率的80%，消能效果較為顯著；而且這種消能形式結構簡單新穎易于布置。

5.2 試驗研究成果分析。鑒于水流邊界的特殊性和環型溢洪道是一項較為新穎的結構，國內未見有類似的工程實例。對于防渦設施、消力井的布置沒有成功的經驗可以借鑒。其中僅環型堰的孔口尺寸可以由堰流公式進行計算。其于未見有較為明確的理論公式計算，為此本設計與試驗研究對此作了如下的分析工作。

在布置設計時只要滿足消力井的長是環型堰的0.8倍，深度為0.5倍，同時滿足落差的0.25倍；防渦墩和防渦墻是環型堰的0.2倍。即可滿足要求。大大地簡化了設計，為今后的推廣應用提供了方便。

6. 結語

利用旋流場理論分析，結合工程實例大膽、巧妙地采用目前未見使用環型堰與消力井相結合，采用簡便可行設置防渦墩和外防渦墻環型溢洪道的泄流消能方式。并經試驗加以論證，成功地解決了進口流速較大且流速分布極不均勻，水力條件較為復雜的泄流和消能問題。再經具體工程實例的兩個水文年度溢洪實踐，表明該工程設計與研究的布置型式在滿足泄洪和消能方面均達到設計預期效果。本設計與試驗研究成果，比常規的設計可節約工程投資的1/4∽1/3；而且更為安全可靠。大大降低泄洪的聲響及水霧，減少因工程的建設對環境的不利影響。本設計與試驗研究提出了簡單易行的設計參數和成果。對在城市防洪排澇；中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中；山區狹長水庫行近流速比較大或切向流速比較大的水庫中，均具有良好的推廣價值。

參考文獻

［1］《水工設計手冊》第六卷，泄水與過壩建筑物，北京，水利電力出版社.

［2］《水流旋流器流場理論》，北京，科學出版社.