L形溢流堰側槽溢洪道水力設計與試驗研究

賴 勇,唐 毅,顧錫春,屠興剛

(1.浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州310002;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州310008)

L形溢流堰側槽溢洪道具有地形適應能力強、開挖量小的特點,堰體整體直接布置于庫區內,水流可分別從L形堰的長短兩邊匯入,入流條件較常規的側槽溢洪道還要優越。在高山峽谷地帶,岸坡式溢洪道中正槽溢洪道容易受到堰寬限制,常采用側槽溢洪道,岸坡陡峭時,設置側槽溢洪道不僅需要大量的開挖,往往還會帶來高邊坡處理問題,此時,采用L形堰側槽溢洪道,將堰體向河床一側偏移,可不受地形限制,在一定程度上還可節省投資。

相對常規側槽溢洪道,L形堰側槽溢洪道增加了垂直側槽水流方向的槽首作為過流斷面,側槽內側堰匯入的橫向水流在槽首水流及重力的作用力,以螺旋流形式向下游流出,水流紊動十分劇烈,如設計不當將對泄槽內的水流流態產生不利影響。另外,因堰型相對復雜,致使水面線計算也較復雜,而當前這一課題的相關研究也較少[1～5],影響了L形堰的運用。為此,本文結合某水庫除險加固設計過程中這一特殊堰型的水工模型試驗成果,對其泄流能力、水面線特征等水力特性進行了一些分析。

1 水力設計與計算方法

1.1 工程概況

某中型水庫原側槽溢洪道進口前端為兩孔寬度均為3.0 m的泄槽閘,因結構不穩定以及泄洪時下游泄槽過流能力不足,需進行改造。原溢洪道右岸為公路,緊靠公路內側的陡峭山體內布置有泄洪洞,因此不具備再向山體內擴挖側槽溢洪道的地形條件。水庫除險加固設計從經濟以及利用已有泄槽的角度出發,將原側槽溢洪道進口前端的兩孔泄洪閘拆除后改建溢流堰,作為L形溢流堰的短邊,原側堰拆除后新建與槽首連接的溢流段作為L形溢流堰的長邊,從而將原來帶泄洪閘的側槽溢洪道改造成了L形堰側槽溢洪道,除險加固改造后溢洪道結構布置見圖1。

1.2 泄流能力

側槽溢洪道泄流能力取決于溢流堰過流能力,但泄槽過流能力不足時,泄槽內水面壅高,進而抬高堰后的水位形成淹沒出流,也會使溢流堰過流能力減小。L形溢流堰設計短邊與長邊之比以小于1/4為宜,拐角處可用半徑R=0.4Hd的圓弧或折線連接,Hd為相應溢洪道設計流量為Qd時的堰上水頭,通常以校核洪水位工況下泄流量為設計流量。溢流堰堰型常采用WES實用堰,上游堰面鉛直布置,下游面一般采用1∶0.5的坡度[6]。溢流堰泄流能力計算公式如下:

式中:c、m、ε、σs分別為上游堰坡影響系數、二維水流WES實用堰流量系數、閘墩側收縮系數、淹沒系數;B為有效堰長,等于L形堰頂幾何長度減去在拐角處的水流徑向收縮影響長度(m);H0為計入行近流速水頭的堰上總水頭(m)。

圖1 L形堰側槽溢洪道結構布置圖

常規側槽溢洪道水力設計時,為不影響過堰流量,即保證堰為不淹沒堰,根據經驗常取hs≤0.5Hd,hs為側槽首端水深高出堰頂的高度,此時淹沒系數σs=1.0。因對L形溢流堰側槽溢洪道水力特性的相關研究較少,工程除險加固設計計算時暫移用這一常規側槽溢洪道的經驗參數,但根據水工設計手冊[6],近似取距側槽底部起點約2倍底寬處的水位作為側槽首端水位。根據堰上水頭確定堰面曲線及流量系數m后,可由設計流量得到溢流堰寬度,進而進行結構布置。由于L形溢流堰側槽溢洪道水流紊動十分激烈,側槽下游泄槽最好設置一平段或緩坡段,有利于調整流態。

1.3 水面線計算

側槽和下游泄槽水面曲線可利用能量方程,用分段求和法計算,側槽各分段始末斷面流量均不一致,水面線計算方法如下[7]:

式中:n、ˉJ分別為糙率系數和分段內平均摩阻坡降;Q1、Q2分別為計算流段上下游斷面所通過的流量(m3/s);v1、v2分別為計算流段上下游斷面流速(m/s);v為流段平均流速(m/s),ˉv=(v1+v2)/2;Δs為計算流段長(m);ˉR為分段平均水力半徑(m)。

下游泄槽水面線計算公式如下[7]:

式中:θ、i、α1、α2分別為泄槽底坡角度、泄槽底坡和分段始末斷面流速分布不均勻系數;h1、h2分別為分段始、末斷面水深(m);Δl1-2為分段長度(m)。

2 水工模型試驗

2.1 模型制作與量測方法

模型按重力相似律,正態模型設計,模型幾何比尺λL=40,其它相應水力比尺為:流量比尺;流速比尺;糙率比尺庫區模擬至距L形溢流堰短邊50m的范圍,溢洪道模擬范圍包括:L形溢流堰、側槽、泄槽S彎段、泄槽直線段、泄槽陡坡段及消能段,同時對泄洪洞和部分河道進行了模擬,模型主要采用水泥砂漿抹面制作,泄洪洞部分采用有機玻璃制作,模型全景見圖2。

圖2 模型全景圖

模型采用電磁流量計控制流量,八線智能流速儀測量流速,其余采用常規儀器量測,水位測針分辨率0.1 mm。

2.2 試驗方案

試驗共進行了兩套方案,即初始設計方案和優化方案。初始設計方案側槽、泄槽底坡及底板高程根據計算結果保證槽首為自由出流而確定,優化方案在初始設計方案試驗基礎上,考慮到低水位時泄流能力有富余,對調洪有利,而現狀壩頂高程也有較大安全余度,在試驗泄流能力滿足水庫防洪安全的前提下,對泄槽底坡進行了一些抬高,從而大大減少了除險加固實施過程中泄槽底板石方的開挖以及泄槽與壩體相鄰部位混凝土擋墻的工程量。兩方案堰頂高程、溢流寬度、上游堰高均相同,分別為116.8 m、68.6 m和6.8 m,陡坡段上游泄槽結構尺寸見表1。

表1 泄槽結構尺寸參數

3 成果分析

3.1 泄流能力

初步設計方案設計計算與模型試驗得到的水位～流量關系曲線對比見圖3。

圖3 水位～流量關系曲線

對比初步設計方案設計計算與模型試驗值,在校核洪水位120.16 m泄洪時,兩者幾乎相同,但低水位計算點設計計算值要較水工模型試驗值偏小5%～10%,考慮設計要有一定的安全余度,因此,在沒有模型試驗的情況下,L形溢流堰溢洪道泄流能力可以直接利用上式計算。優化方案水工模型試驗泄流能力在水位119.50 m時存在明顯的拐點,顯然拐點以下自由出流,以上為淹沒出流,自由出流時,泄流能力與初步設計方案完全相同,因此,在滿足自由出流的條件時,擴大泄槽過流斷面對增加泄流能力沒有實際意義。

3.2 側槽及泄槽水面線

以校核洪水位泄洪時,模型試驗實測的下泄流量和臨界斷面為已知參數,將設計計算得到的側槽及泄槽水面線與模型試驗得到的結果進行對比,初步設計方案對比情況見圖4,優化方案對比情況見圖5。

圖4 初步設計方案水面線

圖5 優化方案水面線

在樁號0+000.00位置,初步設計方案計算水位為120.10 m,接近校核洪水位120.16 m,優化方案計算水位為120.59 m,已超過校核洪水位120.16 m。L形堰溢洪道近似取距側槽底部起點約2倍底寬處的水位作為側槽首端水位,則初步設計方案和優化方案計算得到的槽首水位分別為119.63 m和119.96m,淹沒度hs/Hd分別為0.84和0.94。模型試驗初步設計方案和優化方案實際槽首水位分別為119.18 m和119.49m,淹沒度hs/Hd分別為0.71和0.80。按側槽水面線公式計算得到的近似槽首淹沒度較水工模型試驗實際槽首結果仍要高18%左右。另外,僅從模型試驗結果看,對于L形溢流堰,淹沒度為0.7左右時的泄流能力與自由出流時的泄流能力相差不大。

在樁號0+055.00下游,相應S彎道第一個轉彎位置,因泄槽軸線向右偏轉,右邊墻處水位局部明顯降低[8];而在泄槽樁號0+103.78下游,相應S彎道下游,因泄槽軸線向左偏轉,右邊墻局部水位略有抬升;除此之外,按泄槽水面線公式計算得到的泄槽水面線與試驗結果保持了較好的一致性。

4 結 語

根據對L形堰側槽溢洪道的水力計算結果與模型試驗結果對比,可得出以下一些規律供類似工程參考以優化設計。

(1)L形溢流堰泄流能力按實用堰公式計算時,在低水位情況下要偏小5%～10%,高水位時與試驗結果基本一致,考慮設計要有一定的安全余度,因此,在沒有模型試驗的情況下,可以直接利用實用堰公式進行計算。

(2)為保證側槽為自由出流,常規側槽溢洪道槽首要求淹沒度hs/Hd≤0.5,然而,對于L形溢流堰側槽溢洪道,根據模型試驗情況,槽首淹沒度為0.7左右時泄流能力與自由出流時的泄流能力相差不大。

(3)對L形堰側槽溢洪道,以距側槽底部起點約2倍底寬處的水位作為計算槽首水深時,按側槽水面線公式計算得到的近似槽首淹沒度仍較水工模型試驗實際槽首位置淹沒度要高18%左右;在側槽下游的泄槽,按泄槽水面線公式計算的水面線結果與試驗結果基本一致。

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