水庫除險加固溢洪道導流墻的水工模型試驗研究

李斌

（韶關(guān)市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

在水庫除險加固的工程設(shè)計中，基于某些水工建筑物極其復雜的工作條件，面臨很多不利于工程分析和計算的因素，只能簡化后進行設(shè)計。而通過試驗水工模型，在為模型構(gòu)建和理論研究提供依據(jù)的同時，也可以對現(xiàn)有理論結(jié)果實施驗證和修正。在水工模型的試驗中有效測量諸多水力學參量，包括含沙水流的含沙量、水深、流量、滲氣水流的摻氣濃度、時均與脈動壓強、時均與脈動流速等。完成設(shè)計后進行設(shè)計結(jié)果驗證，及時改進發(fā)現(xiàn)的各種問題，利用數(shù)據(jù)支撐了整個水利過程。

1 溢洪道水流流態(tài)狀況

1.1 進口流態(tài)

某水庫的溢洪道的進口是用直墻和1/4 圓形翼墻連接，直墻半徑為20m、圓形翼墻為10m。試驗數(shù)據(jù)表明，如果折中水流發(fā)生在連接段處，那么圍繞中線，兩股水流就會彼此碰撞，就會發(fā)生紊亂性的水流流態(tài)，造成水面的波動，特別是高水位運行的狀態(tài)下，在中線偏左位置兩股水流交匯而形成水冠。

1.2 急流彎道水流流態(tài)

彎道進口設(shè)計40m 的起始寬度，到出口處收縮為20m，逐漸收縮到出口變?yōu)?0m，長度從0+030 到0+113.80 底坡i=0.04，折沖水流在彎道上游進入，急流水流在加大后的底坡形成，受到上游折沖水流以及彎道離心力的影響，形成水深左高右低的態(tài)勢，水流在彎道中惡化，構(gòu)成多股曲線的折沖干擾波，在設(shè)計框架內(nèi)，倘若在0+103 右岸發(fā)生干擾波時，構(gòu)成駐波的設(shè)計條件；基于校核的狀態(tài)，駐波會明顯形成在0+093斷面左側(cè)，水面的橫比降都會突然出現(xiàn)變化，并且是在不同的彎道斷面折沖干擾波擾動線位置，都會突然變化，因為特別陡的比降，滾波狀會出現(xiàn)在沒有受到干擾的一側(cè)水面。

1.3 橋墩附近的流態(tài)

墩頭為半圓形的溢洪道工作橋，長和寬分別為2m和1m。流經(jīng)橋墩的急彎道上多曲線干擾波，會因為橋墩產(chǎn)生極大的涌浪，最大可達6.24m，雖然水流被梳理后改善了下游的流態(tài)，但橋墩附近的流態(tài)十分復雜，連續(xù)向下游泄槽折沖水流[1]。

2 溢洪道導流墻的水工模型制作和測點布置

2.1 模型制作

2.1.1 模型比尺

按照水利部《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程（SL155-95）》中的標準和方式，遵循相關(guān)規(guī)程的標準，全面分析設(shè)備和場地的供水能力，最大限度消除或者減輕縮尺造成的不利影響，按照1：55 的比例尺，選取要按照地圖和研究要求進行。

1.模型范圍。因為本模型將溢洪道體型確定作為試驗研究的重點，對某些水力學問題進行解決，比如泄洪和消能等，所以，確定正態(tài)模型為本研究的選擇。根據(jù)試驗的相關(guān)要求，上下游的模型長度分別取至0-260 斷面延伸至庫區(qū)和取至0+1030 斷面。以不影響溢洪道上下游流態(tài)為前提設(shè)定模型寬度范圍，盡量保持模型與原型的一致性，上下游寬度分別為935m 和270m。為了模型的精度得以保證，可以對原型水流狀況得以準確反應，可以將多道花墻增設(shè)在模型上游非工作段上，控制水流的平穩(wěn)。借助河道的自身的調(diào)整能力，該模型完全保證了原型流場與試驗段流場的相似性[2]。

2.比尺選擇。選擇模型比尺，要按照相似原則以確保重力相似，并讓模型水流到達阻力平方區(qū)內(nèi)。綜合分析后，確定水工模型的比尺為λL=λH=55 的正態(tài)模型，λL代表水平比尺，λH代表垂直比尺別。在此基礎(chǔ)上進行相關(guān)比例尺的確定。另外，針對模型與原型的描述，必須采用同樣的物理方程式，并且要滿足以下兩個標準：

（1）必須以紊流作為模型水流的流態(tài)，所以，要保證模型水流雷諾數(shù)Rem≥580～400021。為了提升安全等級，在模型設(shè)計時必須為4000 以上的雷諾數(shù)。

（2）為了不讓戰(zhàn)力影響水流，要0-260 斷面處于2 號溢洪道上游位置，上游173m 水位，在Q=2300m3/s 情況下，進行水流斷面雷諾數(shù)的計算。原型濕周和模型濕周分別為Xp=198m 和Xm=360cm，模型過水面積和原型過水面積分別為Sm=4053cm2和Sp=1226m2，模型平均流速和原型平均流速分別為Vm=25.2cm/s 和Vp=1.87m/s。利用計算手冊進行計算Y=0.00804cm2/s（30℃時）則計算公式為：

以此類推，能夠得到的Rem＞4000 可以是百年一遇或者萬年一遇，力求原型水流紊流和模型試驗水流的統(tǒng)一性。

2.1.2 粗糙模擬以及模型制作

河道阻力因素的構(gòu)成主要包括：河岸阻力、人工建筑物的外加阻力、灘面阻力、沙粒阻力、河槽形態(tài)阻力等。而人工建筑物阻力是本文研究的重點。在粗糙模擬試驗中，既要注重人工建筑物因素，更要全面考慮原型的具體狀況。重力相似是該模型試驗的宗旨，所以，要遵循相關(guān)部門的資料和圖紙，利用有機玻璃制造1 號、2 號溢洪道，上游和下游的連接段則是利用水泥砂漿凈面和拉毛處理。制作1 號、2 號溢洪道的閘室段有機玻璃的糙率為0.007～0.008，因此，0.014～0.015 的溢洪道閘室段糙率可以符合阻力相似[3]。

2.1.3 試驗儀器設(shè)備

本試驗通過高水箱循環(huán)作為供水系統(tǒng)。水流的測量利用電磁流量計和模型上安置的60cm 矩形量水堰進行，利用活動測針和固定測針測量水位，可以不利用測壓管對時均動水壓進行測量，利用多普超聲流速儀測量流速、光電旋槳流速儀。

2.2 測點布置

根據(jù)試驗的要求進行水位測點和流速測點的布置，要按照相等的間距在各測量斷面上進行，同時按照試驗的具體狀況，在進口段入口處以及消力池內(nèi)根據(jù)縱向和橫向設(shè)置5 個測點，按照在其他斷面按照縱向和橫向設(shè)置3 個測點。為了更方便測量，測點也可以設(shè)置在距離邊壁10cm 處；有必要在彎道處設(shè)置水位壅高點，作為觀測溢洪道過流能力和水面流速、流態(tài)的關(guān)鍵斷面。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 溢洪道進口過流能力

對進出口過流能力的影響因素，主要包括水庫水位和溢洪道引水渠控制狀況等。針對0+150 堰上水頭斷面水位對閘室的影響，結(jié)果表明，水位與流量密不可分，本研究獲得溢洪道進口處流量與引水渠段0+150斷面試驗水位關(guān)系曲線，如圖1 所示。

圖1 溢洪道進口處流量與引水渠段0+150 斷面試驗水位關(guān)系曲線

試驗結(jié)果顯示，如果溢洪道為很小的流量，就會顯出原型觀測水位和模型觀測水位之間的差距，在Qp1=1044m3/s 的流量狀態(tài)下，原水位觀測數(shù)據(jù)為110.22m，0+150 斷面模型試驗水位為109.87m，原有觀測水位高出模型試驗水位0.35m；而如果流量逐漸增大，兩者之間的水位差也會顯著增大，如果流量Qp3=1555m3/s 時，0+150 斷面的模型試驗水位為112.64m，原型觀測水位是114.11m，原型觀測水位比模型試驗水位高1.47m。由此不難看出，針對過水能力方面，原區(qū)段的設(shè)計基本符合標準，并且溢洪道伴隨增大的流量而提升超泄能力[4]。

3.2 溢洪道水面流速

3.2.1 進口段水面流速

以設(shè)計流量為基礎(chǔ)實測進口段A、B 斷面流速，結(jié)果顯示，如果斷面流速處在2.5m/s～5.7m/s 范圍的均值，斷面垂線流速V 與實測流速最大值Vmax之間比值1.33～1.51 之間，斷面垂線流速V 與實測流速最小值Vmin之比在0.78～0.95 之間。呈現(xiàn)緩流的該段落的弗勞德數(shù)為Fr ∈(0.50,0.75)，因為閘墩會產(chǎn)生繞流，因此軸心線的流速值很小，但正常流速又在進口段末端恢復。有橫向流速出現(xiàn)在0+150 斷面進口段，表現(xiàn)為均勻緩慢的橫向流速，沒有明顯的橫向波。

3.2.2 原工程段水面流速

通過對流速的測試結(jié)果進行分析，斷面流速在0+170～0+286 處緩慢遞增，而且，均勻而平穩(wěn)的流速出現(xiàn)在閘室控制段，因為橋墩造成的局部繞流讓流速波動性很大。基于增大的過水斷面面積和底板坡度，在直線段內(nèi)造成流速迅速加快。流速在擴散段后流態(tài)不均勻，同時波動的沖擊波產(chǎn)生。在擴散段的沖擊波作用下，進入梯形段后的水面波動依舊很劇烈，斷面垂線流速均值V 與實測流速均值最大值Vmax之比在1.93～1.14 之間，斷面垂線流速均值V 與實測流速均值最小值Vmin與之比為0.67～0.58。該段落的弗勞德數(shù)Fr ∈（0.53,1.98），水面流速在全階段體現(xiàn)由緩流到急流的趨勢。

3.3 溢洪道水面流態(tài)

3.3.1 進口段水面流態(tài)

某水庫在溢洪道進口下面設(shè)置10m 的引水渠，通過有效觀測每一級流量下進口段水流，都表現(xiàn)為平順和穩(wěn)定，觀測結(jié)果表明，起始溢洪道進口段的0+286斷面到 0+170 斷面，逐漸減小水深，基于墩頭對水的阻礙以及繞流的雙重影響下，局部性的壅水出現(xiàn)在橋墩上游，最高可達0.15m。因為溢洪道的進口段很短，干擾波在進口界限形成后，經(jīng)歷渠道邊界的發(fā)射，導致橋墩之上水面不太強烈的波動，卻不會影響過流能力。

3.3.2 原工程段水面流態(tài)

某水庫利用與原有的工程段作為溢洪道的進口段，樁號設(shè)計為0+170～0+286，該水庫在原工程基礎(chǔ)上實施溢洪道的續(xù)建，有效彌補原有溢洪道工程不足的同時，也能夠進行惡劣水利條件的有效改善。本文的模型試驗是通過原工程段和新設(shè)計工段完成，在不同設(shè)計試驗流量下原型觀測結(jié)果和模型觀測結(jié)果整體一致。

4 結(jié)語

綜上所述，通過某水庫水利工程模型的試驗，試驗結(jié)果顯示，在過水能力方面，原有的引水渠溢洪道可以滿足標準要求，并且面對大流量時的超泄能力較強。盡管在閘墩的某些地方存在壅水現(xiàn)象，但不會實質(zhì)影響進口段過流能力，橫向流速相對平緩均勻，沒有橫向波出現(xiàn)。原有工程段的中軸段方位的水深大大降低，并且水深降幅較大、水位不均勻波動的還包括直線段以及閘室控制段，同時，被擴散的沖擊波引起凌興波和梯形波。而閘室段則是流速比較均勻和緩，梯形段、擴散段、直線段流速變化的幅度很大，以至于體現(xiàn)梯形段從緩流轉(zhuǎn)急流。試驗顯示，設(shè)置導流墻不僅明顯優(yōu)化了溢洪道彎道結(jié)構(gòu)，更有效控制了消力池的水流，能耗顯著降低，水流更順暢，促進消能功效的大幅度提升。