寒山水庫岸邊式溢洪道進(jìn)水渠導(dǎo)墻體型優(yōu)化試驗(yàn)研究

周蘇芬，鄔年華，黃志文，王志超

(江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029)

0 引 言

溢洪道是水利樞紐的重要組成部分，用于宣泄水庫無法容納的多余洪水，對(duì)擋水建筑物及有關(guān)建筑物安全具有至關(guān)重要作用。進(jìn)水渠位于溢洪道首部，主要功能是引導(dǎo)水流平順進(jìn)入泄槽內(nèi)，起著調(diào)整水流作用。因此，在設(shè)計(jì)溢洪道進(jìn)水渠時(shí)，應(yīng)盡力保證進(jìn)水渠內(nèi)水流態(tài)平順、流暢，不影響溢洪道泄洪能力。目前針對(duì)岸邊式進(jìn)水渠導(dǎo)墻優(yōu)化研究也較多。王繼保[1,2]利用數(shù)學(xué)和物理模型研究了不同體型進(jìn)水渠導(dǎo)墻對(duì)岸邊式溢洪道進(jìn)水渠流態(tài)及溢洪道泄流能力影響。王玄等[3]比較了4種進(jìn)水渠導(dǎo)墻優(yōu)化方案對(duì)龍背灣溢洪道進(jìn)水渠內(nèi)流態(tài)改善效果，確定了上下不同曲線方程的橢圓弧面方案。許學(xué)問等[4]結(jié)合進(jìn)口地形條件通過模型試驗(yàn)對(duì)老渡口水電站岸邊式溢洪道常規(guī)橢圓弧翼墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明扭曲型貼坡導(dǎo)墻能很好消除因洪水淘刷帶來的不利影響。顏雪麗[5]、包明金[6]等通過模型試驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)采用兩圓弧+直線段結(jié)構(gòu)能夠較好地解決泄流流態(tài)問題。郭觀明[7]利用物理和數(shù)學(xué)模型研究了直線型和直線圓弧組合型導(dǎo)墻對(duì)溢洪道工程運(yùn)行影響，試驗(yàn)結(jié)果表明直線圓弧組合型導(dǎo)墻可有效改善進(jìn)水渠水流流態(tài)，為閘孔穩(wěn)定泄流提供保障。本文在前人研究基礎(chǔ)上通過實(shí)際工程溢洪道模型，研究直線型、圓弧形、橢圓弧形導(dǎo)墻對(duì)進(jìn)水渠內(nèi)流態(tài)及閘室泄流能力的影響，并通過改變導(dǎo)墻長(zhǎng)短，分析導(dǎo)墻長(zhǎng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 岸邊式溢洪道模型

寒山水利樞紐坐落于贛江二級(jí)支流、禾水一級(jí)支流鳧水河上，控制流域面積58.7 km2，水庫總庫容1 401 萬m3，正常蓄水位340.00 m，校核洪水位342.21 m，是一座以供水、灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的中型水庫。溢洪道布置于右岸壩端，為開挖式岸邊溢洪道，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、挑流段組成。寒山水利樞紐溢洪道模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型長(zhǎng)度比尺為1∶50，原方案中進(jìn)水渠右岸導(dǎo)墻根據(jù)地形條件采用弧形+直線段型式，左岸未設(shè)置導(dǎo)墻，僅通過坡度為1∶1.405斜坡與壩肩連接，溢洪道進(jìn)水渠布置見圖1。

圖1 溢洪道進(jìn)水渠布置Fig.1 Layout of inlet channel

圖2 原方案閘室水流流態(tài)Fig.2 Flow state in chamber of original design

2 岸邊式溢洪道進(jìn)水渠水流特點(diǎn)

進(jìn)水渠渠底一般是平底或者緩坡，流速較小，水流屬于明渠非均勻緩流。岸邊式溢洪道通常布置在壩肩一側(cè)，其軸線與壩軸線平行或成較小角度。泄流過程中，遠(yuǎn)離進(jìn)水口的地方流速較小，流線基本與進(jìn)水口中心線平行，隨著過水?dāng)嗝媸湛s，流線逐漸彎曲，使得橫斷面形成水面差。而當(dāng)進(jìn)水渠靠近壩肩一側(cè)未設(shè)置導(dǎo)墻時(shí)，壩坡一側(cè)水流流入進(jìn)水渠，形成側(cè)向水流，對(duì)正向水流產(chǎn)生頂托，出現(xiàn)水流劇烈旋滾現(xiàn)象，使得閘室各孔過流不均勻，影響閘室的過流能力。圖2為寒山水庫溢洪道進(jìn)水渠左岸未設(shè)置導(dǎo)墻時(shí)水流流態(tài)，從圖中可以看出閘室右孔水流平順，而左孔出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象，左孔過流能力明顯低于右孔過流能力，影響整個(gè)溢洪道的泄洪能力。此外，閘室左孔內(nèi)水流劇烈翻滾，可能會(huì)引起閘室振動(dòng)，對(duì)整個(gè)閘室的安全存在不利影響。

3 進(jìn)水渠水流流態(tài)優(yōu)化

在原設(shè)計(jì)方案中宣泄大流量時(shí)閘室左孔進(jìn)口水流翻滾劇烈，其泄流能力受到極大影響。主要原因是進(jìn)水渠臨壩側(cè)未設(shè)置導(dǎo)墻，使得進(jìn)水渠產(chǎn)生側(cè)向水流。為改善閘室進(jìn)口水流流態(tài)，需在進(jìn)水渠臨壩側(cè)設(shè)置導(dǎo)墻，常見的進(jìn)口導(dǎo)墻型式有直線型、曲線型、橢圓曲線型等。

3.1 進(jìn)水渠導(dǎo)墻優(yōu)化布置方案

根據(jù)地形及水流條件，試驗(yàn)共采用和比較了五種方案，如表1所示，平面布置見圖3，其中方案四采用長(zhǎng)短軸黃金分割比橢圓曲線導(dǎo)墻方案，短軸長(zhǎng)8.0 m，長(zhǎng)軸長(zhǎng)12.944 m，短長(zhǎng)軸之比b/a=0.618，長(zhǎng)軸方向X與閘室邊墻平行，再沿橢圓段上的一切線方向(和短軸方向y的夾角為15.0°)外伸3.0 m，各方案中導(dǎo)墻頭部為直徑2.0 m的半圓弧。

表1 優(yōu)化方案Tab.1 Optimization designs

圖3 右岸導(dǎo)墻優(yōu)化布置圖Fig.3 Optimized layout of guide wall in right bank

3.2 優(yōu)化方案流態(tài)分析

圖4為優(yōu)化方案進(jìn)水渠水流流態(tài)，從圖4中可以看出5種優(yōu)化方案中閘室左孔水流流態(tài)都有明顯改善，但不同方案改善效果不同。方案一左側(cè)導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)形成一個(gè)范圍較大、凹度較深的水面跌落，閘室左孔進(jìn)口區(qū)域出現(xiàn)旋流，回流區(qū)末端距離閘門控制段較近；方案二中水流沿著左側(cè)導(dǎo)墻平順進(jìn)入閘室，僅在導(dǎo)墻邊壁附近形成細(xì)小波紋；方案三中沿著圓弧導(dǎo)墻邊緣出現(xiàn)小范圍漩渦，漩渦在閘室入口消失；方案四中進(jìn)水渠水流非常平順，僅在導(dǎo)墻端頭處出現(xiàn)微小波動(dòng)，并且影響范圍很小；方案五中左岸導(dǎo)墻附近出現(xiàn)水面跌落，閘室進(jìn)口水面存在較大橫比降；對(duì)比方案一和方案二，導(dǎo)墻越長(zhǎng)對(duì)流態(tài)的改善越明顯；而方案二、方案三和方案五導(dǎo)墻長(zhǎng)度相差不大，方案二對(duì)流態(tài)改善相對(duì)較明顯，說明導(dǎo)墻在一定長(zhǎng)度內(nèi)，直線型導(dǎo)墻對(duì)岸邊式進(jìn)水渠流態(tài)改善效果較好；黃金分割比橢圓弧+直線型(方案四)對(duì)流態(tài)的改善最為明顯。

圖4 優(yōu)化方案進(jìn)水渠流態(tài)Fig.4 Flow state in inlet channel of optimization designs

3.3 優(yōu)化方案泄流能力分析

進(jìn)水渠水流流態(tài)除了對(duì)建筑物安全有影響外，對(duì)溢洪道泄流能力也有重大影響。表2為不同方案水庫水位在校核和正常蓄水位下溢洪道下泄流量，從表中可以看出，進(jìn)水渠左岸增設(shè)導(dǎo)墻后，溢洪道下泄流量不同程度增加；庫水位相同時(shí)，相較于原方案，方案五下泄流量增加最大；直線導(dǎo)墻方案中，隨著導(dǎo)墻長(zhǎng)度增加溢洪道下泄流量雖有增加，但僅增加了0.79、1.70 m3/s；導(dǎo)墻長(zhǎng)度相差不大時(shí)，直線導(dǎo)墻(方案二)比弧形導(dǎo)墻(方案三)和橢圓形導(dǎo)墻(方案五)下泄流量大；黃金分割比橢圓形+直線導(dǎo)墻方案中，相較原方案下泄流量增加了60.32、37.92 m3/s。上述結(jié)果與進(jìn)水渠流態(tài)優(yōu)化結(jié)果吻合，說明進(jìn)水渠流態(tài)對(duì)溢洪道的泄流能力有重要影響。表3為宣泄校核、設(shè)計(jì)、消能相應(yīng)洪水時(shí)，不同方案試驗(yàn)庫水位表。相較于原方案，優(yōu)化方案庫水位都有所下降，方案四降低的最大，在宣泄校核、設(shè)計(jì)、消能泄量時(shí)，上游庫水位相較于原方案分別下降了0.44、0.27、0.26 m。

表2 不同方案溢洪道下泄流量Tab.2 Discharge of spillway in different designs

表3 不同方案試驗(yàn)庫水位H試Tab.3 Water lever of reservoir in different designs

4 結(jié) 語

本文基于寒山水庫溢洪道模型，研究了進(jìn)水渠導(dǎo)墻體型對(duì)岸邊式溢洪道泄流能力影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)岸邊式溢洪道進(jìn)水渠臨壩側(cè)未設(shè)置導(dǎo)墻，進(jìn)水渠水流流態(tài)較差，在左孔閘室內(nèi)出現(xiàn)劇烈翻滾，對(duì) 溢洪道泄流能力產(chǎn)生不利影響。

(2)進(jìn)水渠增設(shè)導(dǎo)墻后能有效改善水流流態(tài)，提高溢洪道泄流能力；導(dǎo)墻長(zhǎng)度對(duì)流態(tài)調(diào)整有影響，直線型導(dǎo)墻長(zhǎng)度較長(zhǎng)的對(duì)流態(tài)的優(yōu)化較長(zhǎng)度短的明顯，但對(duì)泄流能力提高不明顯。

(3)不同型式的導(dǎo)墻對(duì)流態(tài)及泄流能力影響不同，其中增設(shè)長(zhǎng)短軸黃金分割比橢圓曲線+直線導(dǎo)墻，對(duì)進(jìn)水渠流態(tài)及閘室泄流能力影響最為明顯，進(jìn)水渠水流非常平順，對(duì)溢洪道的下泄流量有較大提高。黃金分割比橢圓曲線+直線導(dǎo)墻能很好地改善岸邊式溢洪道進(jìn)水渠流態(tài)，提高溢洪道泄流能力。

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