某水庫(kù)溢洪道優(yōu)化設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)研究

徐高瑞

（新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州昌吉市努爾加水庫(kù)建設(shè)管理處，新疆 昌吉 831100）

1 工程概況

某新建水庫(kù)的主要任務(wù)是城市供水，同時(shí)兼具防洪和下游農(nóng)業(yè)灌溉條件的改善，設(shè)計(jì)庫(kù)容為1.6億m3，工程等別為Ⅱ等。水庫(kù)的永久性建筑物主要包括大壩、副壩、溢洪道和輸水設(shè)施，水庫(kù)大壩為混凝土重力壩，最大壩高51.60m，設(shè)計(jì)洪水為百年一遇，校核洪水為千年一遇。水庫(kù)預(yù)計(jì)2018年開(kāi)工建設(shè)，2020年10月全部完工。溢洪道設(shè)計(jì)在大壩右岸，全長(zhǎng)663.53m，主要由引渠段、控制段、泄槽段、挑坎段和出水渠段組成，其工程布置圖如圖1所示。其中，溢洪道進(jìn)口為三段弧門控制，控制段為迷宮堰設(shè)計(jì)，泄槽段分為兩級(jí)，每級(jí)由漸變段和等寬段兩部分組成，挑流段采用圓弧曲線，挑角 27°。

2 模型制作

圖1 溢洪道工程布置簡(jiǎn)圖

試驗(yàn)中依據(jù)重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)，比尺為1：60[1]。模型的制作范圍包括高程680.00m（黃海高程，下同）以下庫(kù)區(qū)地形，溢洪道所在的大壩右岸645.00m高程以下，左岸625.00m高程以下的河道地形。為了擬合混凝土糙率，溢洪道的引渠段、控制段、泄槽段和挑坎段均采用有機(jī)玻璃制作，誤差不超過(guò)1%[2]，其余部分均采用PVC板材制作，誤差不超過(guò)2%[3]。在溢洪道的出口挑坎段的護(hù)坦末端設(shè)置長(zhǎng)度為65.00m的矩形沖坑。

試驗(yàn)過(guò)程中使用刻度尺測(cè)量水深，壓強(qiáng)使用ZY-31測(cè)壓管測(cè)量，流量則采用寬薄壁量水堰測(cè)量，試驗(yàn)流速采用畢托管測(cè)量。在溢洪道的控制段、泄槽段以及挑坎段設(shè)置71個(gè)測(cè)壓孔[4]。

根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì)資料，本次模型試驗(yàn)的工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)補(bǔ)上溢洪道消能工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

研究過(guò)程中按照上述設(shè)計(jì)制作好溢洪道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并在模型上布置好壓?qiáng)和流速測(cè)點(diǎn)，然后在不同工況下展開(kāi)模型試驗(yàn)，并測(cè)量和記錄相關(guān)參數(shù)[5]。

3 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

利用模型試驗(yàn)的方法對(duì)原設(shè)計(jì)方案下的溢洪道泄流能力、水流的流速、流態(tài)和壓強(qiáng)等水力特征進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示：

原設(shè)計(jì)方案的溢洪道泄流能力不能滿足設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)水位條件下，實(shí)測(cè)流量為259.95m3/s，比設(shè)計(jì)值356.11m3/s小27.00%；在校核洪水條件下，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值為627.92m3/s，比設(shè)計(jì)值821.47m3/s小23.56%。

由圖2所示的設(shè)計(jì)方案溢洪道水面線圖可知，溢洪道泄槽段的一級(jí)泄槽和二級(jí)泄槽樁號(hào)0+381.057～0+456.112段邊墻高度較低，在設(shè)計(jì)洪水條件下富余度明顯不足，在校核洪水條件下甚至有部分區(qū)域存在水流溢出，說(shuō)明邊墻高度不能滿足過(guò)流要求。

原設(shè)計(jì)方案的溢洪道流速在各種工況下均呈現(xiàn)出沿程增加的特點(diǎn)，且變化比較平緩，最大流速出現(xiàn)在挑坎部位，最大流速為19.28m/s，在迷宮堰的下游宮室部位存在較小的負(fù)流速現(xiàn)象，其余部位流速均為正值。

圖2 設(shè)計(jì)方案溢洪道水面線圖

從底板壓強(qiáng)來(lái)看，在迷宮堰的背坡面部位存在比較明顯的負(fù)壓區(qū)，由于負(fù)壓區(qū)的存在，會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的水流空化現(xiàn)象，不利于堰面的安全穩(wěn)定[6]。溢洪道其余部分的壓強(qiáng)均為正值，但是壓強(qiáng)的起伏變化比較顯著。

3.2 原方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)模型試驗(yàn)中暴露出的溢洪道原設(shè)計(jì)方案的缺陷與不足，結(jié)合工程的具體特點(diǎn)以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行如下優(yōu)化改進(jìn)[7，8]：增加迷宮堰的總寬度，由原來(lái)的46.00m增加至52.00m；延長(zhǎng)陡坡段的一級(jí)泄槽末端的長(zhǎng)度，由原來(lái)的187.00mm增加到200.00m，其余結(jié)構(gòu)樁號(hào)順延；增加溢洪道泄槽段的一級(jí)泄槽和二級(jí)泄槽樁號(hào)0+381.057～0+456.112段邊墻高度，由原來(lái)的4.00m增加至6.00m；減小泄槽進(jìn)口的寬度，由原來(lái)的52.00m收窄至46.00m；挑流段的挑流鼻坎長(zhǎng)度由原方案的5.00m增加至10.00m。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 庫(kù)水位與泄流量之間的關(guān)系

按照優(yōu)化方案重新制作模型并在不同工況下進(jìn)行試驗(yàn)，獲得如表2所示的試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值。由表中的結(jié)果可知，在溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化之后，由于堰寬的增加，過(guò)流能力明顯提高，在不同工況下試驗(yàn)流量值均大于設(shè)計(jì)值，說(shuō)明溢洪道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的過(guò)流能力完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 水流流態(tài)

表2 優(yōu)化方案庫(kù)水位與泄流量試驗(yàn)結(jié)果

模型試驗(yàn)過(guò)程中觀察不同工況下的溢洪道各部位水流流態(tài)，當(dāng)庫(kù)水位高于堰頂?shù)?74.00m高程時(shí)，水流通過(guò)溢洪道引水渠沿著控制段迷宮堰下泄，在下游宮室內(nèi)受到側(cè)堰水流收縮、碰撞，產(chǎn)生紊動(dòng)流向下游泄槽段，并以成股交錯(cuò)的急流狀態(tài)經(jīng)過(guò)一級(jí)和二級(jí)泄槽，在二級(jí)泄槽下游由挑流坎挑射出去，在庫(kù)水位為674.83m，下泄流量大于177.58m3/s時(shí)，挑流坎水流開(kāi)始起挑，并且隨著水庫(kù)泄流量的增加，水流的挑射逐漸增加。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定，在工況1，即設(shè)計(jì)洪水條件下，挑射水流的最大挑距為26.65m，在校核水位工況下，挑射水流的最大挑距為48.08m。當(dāng)水庫(kù)以小流量泄洪時(shí)，出水渠段水流均勻，流態(tài)平穩(wěn)，當(dāng)大流量高水位泄洪時(shí)，水流紊動(dòng)比較明顯，挑距較長(zhǎng)，因此將大量泥沙沖刷至出水渠外。

4.3 沿程水深

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案溢洪道水面線圖

在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了溢洪道在兩種不同工況下的沿程水深，獲得如圖3所示的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的水面線圖。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，各斷面的實(shí)測(cè)最大水深均明顯小于對(duì)應(yīng)部位的邊墻高度，說(shuō)明邊墻高度滿足過(guò)流要求。

4.4 底板壓強(qiáng)

利用模型上布置的測(cè)壓孔，對(duì)優(yōu)化方案條件下的溢洪道各部位壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出圖4所示的溢洪道各部位壓強(qiáng)分布圖。由圖可知，在各工況下，僅有迷宮堰部位的一個(gè)測(cè)壓孔出現(xiàn)負(fù)壓值，為下泄水流的交錯(cuò)碰撞產(chǎn)生。由于負(fù)壓的數(shù)值較小，不會(huì)對(duì)迷宮堰的堰面產(chǎn)生明顯的不利影響。其余部分沿程壓強(qiáng)均為正壓，除了二級(jí)泄槽與挑流坎銜接部位由于水流受到明顯的向心作用而產(chǎn)生壓強(qiáng)突變之外，其余部位壓強(qiáng)的變化十分平穩(wěn)。

圖4 溢洪道各部位壓強(qiáng)分布圖

圖5 設(shè)計(jì)工況溢洪道各段流速對(duì)比

圖6 校核工況溢洪道各段流速對(duì)比

4.5 流速分布

在模型試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)不同工況下的沿程流速進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果繪制出如圖5和圖6所示的不同工況下沿程流速的優(yōu)化方案與原方案的對(duì)比結(jié)果。由圖可知，兩種不同工況下，迷宮堰段的最大流速為6.0m/s，一級(jí)泄槽和二級(jí)泄槽的斷面最大流速分別為10.0m/s和18.0m/s左右，流速最大的部位為挑坎段，其斷面最大流速在20.0m/s左右?？傮w而言，優(yōu)化方案和原設(shè)計(jì)方案相比，溢洪道各段的流速值相差不大，根據(jù)相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，該流速不會(huì)對(duì)溢洪道結(jié)構(gòu)造成明顯的不利影響。

表3 泄槽段水流空化數(shù)估算結(jié)果

表4 最深沖點(diǎn)特征值

4.6 空化數(shù)估算結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，溢洪道陡坡段是最容易發(fā)生空化空蝕破壞的部位，因此，研究中針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)不同工況下的溢洪道容易發(fā)生空化的二級(jí)泄槽段和挑坎段的水流空化數(shù)進(jìn)行估算，估算方法利用的是《水力計(jì)算手冊(cè)》中給出的方法，估算結(jié)果如表3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，水流空化數(shù)呈現(xiàn)出沿泄槽不斷減小的趨勢(shì)，二級(jí)泄槽段水流空化數(shù)較小。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)該加強(qiáng)工程質(zhì)量管理，保證施工平整度，降低泄槽段遭受空化水流的破壞作用。

4.7 下游沖刷試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究挑流消能效果，觀測(cè)了挑流坎下游的沖刷情況，結(jié)果如表4所示。由表中的結(jié)果和下游沖刷形態(tài)可知，沖刷最深點(diǎn)與出水渠進(jìn)口有相對(duì)富裕的位置使挑射水流全部落入沖刷坑而不淘刷出水渠進(jìn)口位置底部，不會(huì)對(duì)工程的穩(wěn)定運(yùn)行造成明顯的不利影響。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）某水庫(kù)溢洪道原設(shè)計(jì)方案的下泄流量較設(shè)計(jì)數(shù)值嚴(yán)重偏小，不能滿足泄洪要求；泄槽段部分邊墻高度較低，不能滿足過(guò)流要求；在迷宮堰的背坡面部位存在比較明顯的負(fù)壓區(qū)，不利于堰面的安全穩(wěn)定。

（2）針對(duì)模型試驗(yàn)中暴露出的溢洪道原設(shè)計(jì)方案的缺陷與不足，結(jié)合工程的具體特點(diǎn)以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化方案重新制作模型進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）優(yōu)化方案條件下，溢洪道水流流態(tài)明顯改善，溢洪道的過(guò)流能力和邊墻高度滿足過(guò)流要求，沿程基本無(wú)負(fù)壓，水流空化數(shù)均在0.5以上，空化影響可以忽略不計(jì)，故優(yōu)化后的方案完全滿足設(shè)計(jì)要求，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

（4）在優(yōu)化方案下，各種工況的下泄水流均可以在挑流坎后形成挑射水流，且全部進(jìn)入沖刷坑，不會(huì)對(duì)工程運(yùn)行造成不利影響；鑒于下游水流流速較大，仍舊會(huì)對(duì)下游河床造成一定沖刷，建議在工程設(shè)計(jì)中加強(qiáng)挑流鼻坎出口段河床的防護(hù)。