溢流池體型優化及泄流能力模型試驗

李寧霄

（遼寧省河庫管理服務中心，遼寧沈陽110000）

近年來，隨著經濟發展，為解決區域水量不均衡問題，我國興建了許多跨流域引調水工程，例如南水北調工程、滇中引水工程、東深供水工程、膠東調水工程、萬家寨引黃工程。在有壓引水工程中，為保護隧洞及管道不超壓，需要設置溢流池。

溢流池內水流變化復雜，通常夾雜著摻氣和旋渦現象，目前國內外尚無成熟的數值模擬方法理論，物理模型試驗仍然是此類建筑物設計的主流。王繼濤利用特征線法建模，針對膠東調水工程進行數值模擬，認為設置溢流井方案能有效減小管道內的最大壓力[1]，但是未能考慮溢流井內摻氣和旋渦問題。李松平等針對玉陽湖溢洪道，建立了1∶40 正態比尺的水工模型，探索不同溢洪道體型對泄流能力、流態流速、壓力分布的影響[2]。王志坤對佛寺水庫溢流堰建立了正態水工模型，得到了水庫靜水位與泄流量關系曲線[3]。

試驗以遼寧省重點輸水工程溢流池為原型，建立溢流池及出口管道水工模型，觀察不同流量時溢流池內水流流態、水深變化、壓力分布，得到流量-溢流水深關系曲線，發現連接池與出水管道平滑過度的方案，能夠有效的減少氣阻和摻氣，同時避免了水躍，對減少安全隱患、保證穩定運行具有實際意義。

1 工程原型

遼寧省重點輸水工程溢流池，設置在有壓隧洞中，主要構筑物包括豎井、連接池、出水管等。豎井和連接池為鋼筋混凝土材質，出水管為無縫鋼管。工程設計流量41.0 m3/s，正常工作水位208.9 m。當下游突發事故時，需要在此處泄掉全部流量，通過出水管道排放至地面河道。為此，設計了2 種溢流池體型方案。

1.1 方案1

溢流豎井內徑5.8 m，溢流堰頂高程209.5 m。出水管道內徑3.6 m。連接池長22.1 m，寬17.2 m，頂板高程212.00 m，底板采用傾斜式設計，連接池上部分底板高程208.00 m，下部分底板高程202.30 m，后接出水管道，管道傾角20.86°，進口管中心高程204.90 m。其平面布置見圖1，剖面布置見圖2。

1.2 方案2

將連接池底板改為平板式，底板高程變為206.00 m，出水管道進口底高程與連接池保持一致，從而管中心高程變為207.97 m，管道傾角變為23.87°，其他參數與方案1 相同。平面布置未改變，剖面布置見圖3。

圖1 平面布置圖（單位：mm）

圖2 方案1 剖面布置圖（高程以m 計，其余均以mm 計）

圖3 方案2 剖面布置圖（高程以m 計，其余均以mm 計）

2 模型設計和試驗方案

2.1 模型設計

溢流池原型長寬高相差不大，所以采用正態模型，考慮場地大小限制，按重力相似原則，選擇長度比尺Lr=10，流量比尺Qr=316.23，流速比尺Vr=3.16[4，5]。模型整體材料使用透明有機玻璃。高程誤差控制±0.3 mm內，平面距離誤差控制±10.0 mm內；水準儀基點精度控制在±0.3 mm內。

2.2 試驗方案

根據原型設計，方案1與方案2設計流量相同，均為41.0 m3/s，按該試驗流量比尺Qr =316.23，換算后，模型設計流量129.65 L/s。根據工程設計，每個方案進行21 組相同工況的試驗，詳見表1。

3 試驗成果分析

1）流量與溢流水位關系

表1 試驗組次劃分表

在流量1.0～45.0 m3/s 區間，方案1 與方案2的流量～溢流水位關系基本一致，即流量增加，溢流水位隨之線性增高。設計流量下，2 個方案的連接池蓋板底高程均滿足凈空要求。流量與溢流水深關系曲線見圖4。

圖4 流量與溢流水深關系曲線

2）壓強觀測

在出水管道進口底板正上方70 mm 處，設置壓強觀測點P。

方案1，隨著流量的增長，觀測點P 的壓強值呈現出上升—平穩—下降趨勢。在1.0～5.0 m3/s 區間出現負壓，最大壓強為0.13 m；7.0～15.0 m3/s 區間為正壓平穩段，壓強為0.05 m；17.0～45.0 m3/s區間出現負壓，并且壓強產生脈動，設計流量時，壓強為-0.70 m。在出水管道與連接池附近都出現了氣穴現象。

方案2，流量低于15 m3/s 時，水深較淺，觀測點P 處無水；在17.0～45.0 m3/s 區間，隨著流量的增長，壓強值線性增加，壓強值范圍為0.10～0.23 m；設計流量時，觀測點P 處壓強為0.2 m。

可見，方案2 試驗出水管段內及其連接池附近壓力比方案1 更加趨于穩定。2 個方案的出水管道進口壓強測量值與流量的關系曲線見圖5。

圖5 出水管道進口壓強

3）流量與連接池水深關系

在流量1.0～45.0 m3/s 區間，流量增加，連接池水位隨之線性增高，方案1 水面線較陡，方案2 較平緩。2 個方案連接池的內側水位較高，分析是水流受側壁影響，水流方向發生了改變，發生了雍水現象。

4）出水管道氣阻現象觀測

在流量1.0～45.0 m3/s 區間，方案1 與方案2在出水管均未出現氣阻現象。當達到設計流量時，方案1 出水管道進口附近出現明滿流交替現象，可能會對下游平直段管道進氣和排氣產生一定影響；方案2 未出現明滿交替現象。

5）摻氣現象觀測

方案1，出水管內始終存在摻氣現象，且流量越大，摻氣越明顯。方案2，在流量低于11.0 m3/s時，未出現摻氣現象；超過13.0 m3/s 后，出水管內開始出現摻氣現象，流量越大，摻氣越明顯，但與同流量下方案1 相比要小很多。

6）水躍現象觀測

方案1，流量小于11.0 m3/s 時，在連接池內出現水躍現象；流量大于13.0 m3/s 后，水躍進入出水管內。方案2，在全部流量區間，連接池與出水管連接處始終未產生水躍現象，水流相對平穩。

4 結論

通過建立正態水工模型，對兩種體型的溢流池原型進行模擬試驗，發現相比于傾斜式連接池底板方案，平板式底板方案在水力學方面全面占優，不會產生負壓，不會出現明滿交替流現象，摻氣更少，而且不會產生水躍。平板式底板方案唯一的缺點是體型大，施工時需要的工程量稍多，最終實際工程采用了平板式底板方案。試驗為工程設計提供支撐，也可為以后類似的工程提供參考。