結合模型實驗對溢洪道泄流的驗證分析

顧富星

（廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣東 廣州 510700）

溢洪道是水庫等水利建筑物的防洪設備,當水庫水位超過安全限度時,洪水就從溢洪道向下游流出,防止水壩被毀壞。溢洪道是洪水期間保證水庫安全的重要設施,因此,對于溢洪道過流能力進行準確的分析和評估具有重要意義。本文旨在通過開展水工模型試驗,通過試驗驗證理論計算結果的合理性,并針對計算結果提出改進措施,從而達到最佳效果。

1 工程概況

某水庫工程是一座以農村人畜供水、城鎮供水和農田灌溉為主的綜合利用水利工程。工程首部樞紐布置由攔河混凝土面板堆石壩、溢洪隧洞、導流泄洪輸水隧洞組成。水庫總庫容為1142.0 萬m3,工程等別及規模為Ⅲ等、中型工程。水庫大壩級別為2 級建筑物,溢洪隧洞、導流泄洪輸水隧洞為3 級建筑物（永久部分）,次要建筑物為4 級,臨時建筑物為4 級。

溢洪道進口段采用開敞式正槽溢洪道,洞身采用隧洞型式。布置在右岸,溢洪隧洞水平投影全長449.27 m,分為進口段、控制段、收縮段、陡坡段（無壓洞）及出口消能段。

進口段長27 m,底板高程779.23 m；進口左側無導墻,右側導墻為扭曲面型式,墻頂高程767.33 m,頂寬0.6 m。

控制段長10 m,堰型為實用堰,堰頂高程為781.73 m,堰寬為12.0 m,上游堰頭曲線為三圓弧曲線,堰面曲線為WES曲線,曲線方程為

明渠型式收縮段長26 m,寬度從12 m 收縮為4.5 m,收縮角θ=5°,底坡坡降i=0.1362。收縮段后接381 m 長的無壓洞身段,斷面為城門洞型式,底寬4.5 m,底坡i=0.18,高度為6.09 m～5.56 m。

挑流鼻坎長12 m,挑流鼻坎為差動式。上差動挑流鼻坎高程703.29 m,挑射角34°21'54''。下差動為梯形側壁形式,挑流鼻坎高程701.75 m,挑射角14°00'57''。

2 溢洪道過流計算

溢流堰采用WES 標準型實用堰,堰頂不設閘門,水庫正常蓄水位與溢流堰頂高程齊平,溢洪洞堰頂寬度12 m。H～Q曲線采用實用堰公式：

初步設計階段復核后采用的水位流量關系見表1、表2和圖1。

圖1 溢洪道水位～下泄流量關系對比圖

表1 復核后溢洪洞水位～下泄流量 （堰寬12m）

表2 水庫特征水位下溢洪隧洞下泄流量

3 建立水工模型試驗

3.1 模型設計及比尺

溢洪隧洞試驗模型采用整體正態模型,按重力相似準則設計,并滿足阻力相似要求。模型幾何比尺為1∶40,糙率比尺n=L

1/6=1.849,地質勘察報告提供的溢洪隧洞混凝土襯砌表面的糙率為0.015,則要求模型溢洪道的糙率為0.0081,而有機玻璃的糙率n=0.008～0.010,故采用有機玻璃材料制作模型,滿足要求。

模型上游設置1 座量水堰以控制流量。

3.2 模型制作及試驗量測

試驗模型由上游水庫、溢洪隧洞、消能工及下游河道組成。上游水庫地形用混凝土砂漿抹面制作,溢洪隧洞控制段前用水泥砂漿抹面,控制段及以后整條溢洪隧洞,包括差動式消能工均用有機玻璃加工制作,尺寸嚴格控制在允許的誤差范圍之內。差動式消能工后接出口尾水渠段采用有機玻璃制作,下游河道按河道原斷面要求敷設動床。

試驗的量測：庫水位、下游水位、堰上水頭用精度為0.1 mm 的水位測針測量。流道上的時均動水壓力用橡膠管、玻璃管制作的測壓管測量。流速用長江科學院研制的LS-401D 型直讀式流速儀測量。水面線用鋼板尺量測。試驗過程拍攝照片及錄像。溢洪隧洞沿右孔軸線布置6 個測壓孔,沿洞身軸線布置14 個測壓孔。模型流量由上游無側收縮矩形薄壁量水堰控制,小流量時采用三角形薄壁堰。模型量水堰流量計算公式均按《水工（常規）模型試驗規程》（SL 155-2012）中的公式計算。

3.3 原方案溢洪道（洞）過流能力

試驗測定了表孔泄洪隧洞泄流能力,得到實測庫水位Z與溢洪隧洞下泄流量Q 的關系曲線。據此可知典型頻率洪水實測流量特征值見表3。

表3 原方案溢洪隧洞實測特征流量值及綜合流量系數

試驗結果表明,水庫在校核水位時,溢洪隧洞實測下泄流量為166 m3/s,少于設計值191.8 m3/s 約13.45%,在設計水位時,實測下泄流量為83.11 m3/s,低于設計值89.9 m3/s 約7.56%,30 年一遇實測下泄流量為68.75 m3/s,也小于設計值74 m3/s約7.1%。由此可知,在此情況下,模型試驗所得的下泄流量均與設計值相差較大,過流能力嚴重不足。

通過試驗測試和分析,原方案存在的主要問題為：

1）溢洪隧洞過流能力嚴重不足。主要是因為堰前水流受控制段左邊墻的側收縮影響,左側水流呈繞流流態進入控制段,左孔水流流態差。受溢洪隧洞控制段左邊墻的側收縮作用,堰前形成繞流流態,在堰頂斷面處,左孔左側水深較低,減小了過流能力。

2）在樁號Y0+025.39～Y0+044.00 段內,水流受堰后收縮段的作用和堰前繞流的影響形成了“駝峰”流態,在校核庫水位時下泄水流出現觸頂現象。

3）兩道無挑坎摻氣槽槽內積水嚴重,均沒有形成摻氣空腔,摻氣槽失效。

4 試驗優化及推薦方案

針對原方案的主要問題,經多方協商后,基于如下思路對原方案進行試驗優化：

（1）為消除控制段左邊墻側收縮的影響,提高溢洪隧洞的過流能力,同時為改善在樁號Y0+025.39～Y0+044.00 段內出現的“駝峰”流態,在進水渠段增設左導墻。（2）對兩道無挑坎摻氣槽增設摻氣挑坎,以解決摻氣槽失效的問題。

經試驗優化,增設進水渠左導墻,左導墻為半徑40 m 的平面圓弧的垂直墻,前端為0.5 m 的半圓,其體形、尺寸具體見圖2、圖3。

圖2 溢洪隧洞進口水流流態模型

圖3 溢洪隧洞堰后流態

優化方案典型頻率洪水實測流量特征值見表4。

表4 推薦方案溢洪隧洞實測特征流量值及綜合流量系數

增設左導墻后,各工況下,進水渠段內水流平順,流態平穩,控制段內水流平順。增設左導墻后基本消除了側收縮的影響。區間的“駝峰”流態得到一定的改善。試驗結果表明：校核水位時,實測下泄流量180.5 m3/s 小于設計值191.8 m3/s約5.89%,設計水位時,實測下泄流量86.5 m3/s 小于設計值89.9 m3/s 約3.78%,30 年一遇實測下泄流量71.0 m3/s 小于設計值74 m3/s 約4.05%,溢洪隧洞過流能力與原設計值接近,相差在3%～6%范圍。

增設1#、2#摻氣坎后,各工況下坎后均能形成穩定的摻氣空腔,摻氣空腔內空氣吸入充分,坎后水流平順。

5 結論

通過對溢洪道（洞）采用理論計算公式、進口段不設導墻、進口段增設導墻模型試驗所得到的下泄流量進行對比分析研究,得出結論如下：

（1）丫河水庫溢洪道（洞）總體布置及設計體型基本合理,采用理論公式計算時由于流量系數影響,結果偏大,偏差在10%以內。

（2）溢洪道進口布置在壩肩時,靠壩一側設置順應水流的曲面導水墻是有效的。設置導墻后,可有效避免產生繞流和橫向流,過流能力得到明顯提升。

（3）經模型試驗驗證,下泄流量實測值與理論計算值偏差在3%～6%之間。理論計算值偏大,在設計過程中,為偏安全考慮,建議在理論計算的基礎上考慮10%左右的安全裕度,確保工程安全。