高落差泄水建筑物水力模型試驗(yàn)的論證研究

【摘要】烏蘇市城市防洪工程洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，堤防工程級(jí)別均為3級(jí)，洪峰流量Q=59.52m3/s，總長(zhǎng)7.66km，末端182m為陡坡及消力池段，高差76.63m；天然縱坡i=0.82，采用水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果不可靠，故委托委托新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電研究所對(duì)陡坡消力池進(jìn)行水力模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程中結(jié)合科研部門分析成果確定了水工建筑物的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，為今后同類工程的設(shè)計(jì)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和資料。本文結(jié)合工程特點(diǎn)主要針對(duì)模型試驗(yàn)的方法及結(jié)論進(jìn)行闡述。【關(guān)鍵詞】城市防洪；陡坡消力池；水力模型1、工程概況烏蘇市是新疆自治區(qū)重點(diǎn)發(fā)展縣市之一，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，具有較大發(fā)展?jié)摿Α＝Y(jié)合最新城市總體規(guī)劃，現(xiàn)有防洪體系無法保證城市安全。烏蘇市城市防洪工程對(duì)于城區(qū)市民生命財(cái)產(chǎn)安全和安居樂業(yè)具有重大意義。本工程主要針對(duì)城市以南的14條洪溝，通過修建防洪工程本防洪工程以現(xiàn)狀城南防洪堤為起點(diǎn)，總體布置大致為由西向東沿天然地形布置，將涉及不利洪水導(dǎo)入天然河道內(nèi)。工程修建防洪堤7.66km，除末端182m為臺(tái)階消能及出口段、采用矩形斷面，其余段落采用梯形砼板襯砌形式。2、陡坡段設(shè)計(jì)方案選擇本工程防洪堤屬常規(guī)工程設(shè)計(jì)，但末端長(zhǎng)182m、天然落差大（76.63m）、縱坡陡（i=0.82），同時(shí)受兩條道路和兩條渠道影響將其分為數(shù)段且不能影響現(xiàn)狀道路及渠道高程，屬本工程難點(diǎn)，因此將該段工程作為本工程重點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。方案選擇采用一級(jí)臺(tái)階消能方案和兩級(jí)臺(tái)階消能方案進(jìn)行比較，在滿足不影響現(xiàn)狀道路及渠道高程前提下，采用兩級(jí)臺(tái)階消能方案最為可行。針對(duì)此段分析，兩級(jí)臺(tái)階消能段總長(zhǎng)182m，其中一級(jí)臺(tái)階消能段長(zhǎng)101.83m，二級(jí)臺(tái)階消能段長(zhǎng)80.2m。3、泄水陡坡水工模型試驗(yàn)3.1 模型設(shè)計(jì)和制作模型設(shè)計(jì)遵循重力相似準(zhǔn)則，采用正態(tài)模型。為使模型試驗(yàn)?zāi)軌蜉^真實(shí)地反映原型的水流情況，在選擇水工結(jié)構(gòu)模型材料時(shí)必須近似模型材料的糙率要求。根據(jù)重力相似要求，有：原型泄水建筑物的糙率，模型泄水建筑物的糙率應(yīng)為，有機(jī)玻璃材料的糙率一般為0.008～0.009，滿足糙率要求，所以模型中泄水建筑物材料選用有機(jī)玻璃。3.2 設(shè)計(jì)方案水工模型試驗(yàn)3.2.1 模型試驗(yàn)主要工況試驗(yàn)采用三角形薄壁量水堰，用于測(cè)定恒定流流量，量水堰堰型滿足量程和精度要求。三角形形薄壁量水堰的流量計(jì)算參見公式2-2，可以得到三角形量水堰H～Q關(guān)系表。3.2.3 泄水陡坡水流流態(tài)通過對(duì)試驗(yàn)觀察，總結(jié)泄水陡坡各段水流具體流態(tài)描述如下：（1）水流在最大下泄流量工況中，進(jìn)口段水流平穩(wěn)，水面波動(dòng)較小，與泄水陡坡段水流連接順暢。（2）泄水的兩級(jí)陡坡在最大流量時(shí)，一級(jí)陡坡內(nèi)由于坡度較陡水深較小，沿程臺(tái)階上旋流明顯，二級(jí)陡坡內(nèi)水深相對(duì)一級(jí)來說有增大，沿程臺(tái)階前半部分無明顯旋流，陡坡段有摻氣。（3）兩級(jí)消力池段內(nèi)產(chǎn)生淹沒水躍，流態(tài)正常，池內(nèi)水深相對(duì)較大，一級(jí)消力池內(nèi)最大水深為4.80m，二級(jí)消力池內(nèi)最大水深4.84m，消力池邊墻設(shè)計(jì)高度不夠。3.2.4 泄水陡坡沿程水深當(dāng)泄洪建筑物下泄最大下泄流量時(shí)，試驗(yàn)測(cè)試記錄典型斷面的水深。按實(shí)測(cè)的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行摻氣水深計(jì)算，規(guī)范推薦的計(jì)算公式為：

3.3試驗(yàn)結(jié)論通過水工模型試驗(yàn)，得到設(shè)計(jì)方案的水流流態(tài)、水面線等，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析初步得出如下結(jié)論：（1）在最大下泄流量59.52m3/s工況中，在泄水陡坡進(jìn)口段、一級(jí)陡坡、一級(jí)消力池、二級(jí)陡坡、二級(jí)消力池和出口段內(nèi)水流流態(tài)正常，消能較充分，滿足設(shè)計(jì)要求。（2）在59.52m3/s下泄流量時(shí)陡坡進(jìn)口段水流平穩(wěn)，水面波動(dòng)較小，與泄水陡坡段水流連接順暢，邊墻高度滿足要求。（3）泄水一級(jí)陡坡在59.52 m3/s下泄流量時(shí)，由于坡度較陡水深較小，沿程臺(tái)階上旋流明顯，陡坡段有摻氣。陡坡段沿程水深逐漸減小，最大水深發(fā)生在樁號(hào)7+207.7m處，水深為1.36m，考慮摻氣水深為1.416m，邊墻設(shè)計(jì)高度為1.926m，基本滿足設(shè)計(jì)要求。（4）一級(jí)消力池段內(nèi)產(chǎn)生淹沒水躍，流態(tài)正常，池內(nèi)水深相對(duì)較大，一級(jí)消力池進(jìn)口水流旋滾區(qū)水流跳躍明顯，最大水深達(dá)到4.80m，消力池中后部水流波動(dòng)時(shí)較高水深在4.5m-4.7m，而消力池邊墻設(shè)計(jì)高度為4.5m，不能滿足要求，建議一級(jí)消力池邊墻根據(jù)規(guī)范要求適當(dāng)加高。（5）泄水二級(jí)陡坡在59.52 m3/s下泄流量時(shí)，泄槽內(nèi)水深相對(duì)一級(jí)來說有增大，沿程臺(tái)階前半部分無明顯旋流，后半部分臺(tái)階上有旋流，陡坡段有摻氣。陡坡段沿程水深逐漸減小，最大水深發(fā)生在樁號(hào)7+309.5m處，最大水深為1.28m，考慮摻氣水深為1.336m，邊墻設(shè)計(jì)高度為1.18m，不能滿足要求，建議二級(jí)陡坡邊墻按照規(guī)范要求加高。（6）二級(jí)消力池段內(nèi)產(chǎn)生淹沒水躍，流態(tài)正常，池內(nèi)水深相對(duì)較大，總體池內(nèi)水深比一級(jí)消力池內(nèi)水深稍大，二級(jí)消力池內(nèi)最大水深4.84m，消力池邊墻設(shè)計(jì)高度為4.3m，不能滿足要求，建議二級(jí)消力池邊墻按照規(guī)范要求加高。4、結(jié)語本工程陡坡消力池段落差、縱坡較大，采用水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果不可靠，通過水力模型試驗(yàn)，有效指導(dǎo)了計(jì)算中有關(guān)參數(shù)的選取，充分驗(yàn)證水力計(jì)算成果，為水工建筑物主要設(shè)計(jì)參數(shù)確定提供可靠參考。同時(shí)為今后同類工程設(shè)計(jì)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和資料。參考文獻(xiàn)：[1]《新疆烏蘇市城南防洪應(yīng)急工程初步設(shè)計(jì)（代可研）報(bào)告》，2018年1月。[2]《烏蘇市城市防洪應(yīng)急工程泄水陡坡水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告》，2018年8月。作者簡(jiǎn)介：吾提庫(kù)爾·胡斯曼（1973年10月—），高級(jí)工程師，研究方向：從事于水利水電勘察規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作。