多流道式彎道在黃山洞水庫溢洪道加固中的應(yīng)用

周 斌

多流道式彎道在黃山洞水庫溢洪道加固中的應(yīng)用

周 斌

（汕尾市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院 廣東汕尾 516600）

平面復(fù)雜流道可借助導(dǎo)流墻切割水流形成多個(gè)相互獨(dú)立的流道，限制水流的紊動(dòng)范圍，從而達(dá)到平順?biāo)鞯哪康摹１疚膶?duì)黃山洞溢洪道平面收縮彎段的多流道設(shè)計(jì)、水力模型試驗(yàn)及優(yōu)化和運(yùn)行情況進(jìn)行了簡要說明，可供類似工程參考。

多流道 黃山洞水庫 水庫除險(xiǎn)加固 溢洪道

現(xiàn)有水庫溢洪道加固時(shí)，常常遭遇彎道、擴(kuò)散、收縮等平面形態(tài)復(fù)雜的泄洪流道，使水流橫向環(huán)流嚴(yán)重、流態(tài)紊亂，形成了復(fù)雜的水力邊界，增加了設(shè)計(jì)難度。多流道設(shè)計(jì)是處理溢洪道復(fù)雜平面流態(tài)段的有效措施之一，將單一的復(fù)雜流道劃分為多流道，通過隔水墻的作用將流態(tài)的紊亂限制于分流道內(nèi)，使得各分流道的水力條件趨于簡明化，使得水流狀態(tài)可控。本文將簡要介紹多流道式彎道在黃山洞水庫的具體運(yùn)用，以供類似工程參考。

1 工程概況

黃山洞水庫位于廣東省博羅縣石壩鎮(zhèn)的東江支流黃山洞河上，壩址以上控制集雨面積44km2，水庫距石壩鎮(zhèn)4.2km。黃山洞水庫總庫容3170萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積2.7萬畝，是一座以灌溉為主、兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、供水等綜合利用的中型水庫工程。

黃山洞水庫樞紐建筑物主要有大壩、溢洪道、涵管和發(fā)電站等。大壩為粘土心墻土壩，最大壩高36.6m，壩頂寬4.8～5.5m，壩頂長186m；溢洪道全長1080m，依次為進(jìn)口段、控制段、陡槽段、消能段、出水渠等，呈曲線布置；涵管為長154.1m的鋼筋混凝土圓涵，內(nèi)徑0.9m，壁厚0.4m；壩后電站總裝機(jī)825KW，分為兩級(jí)，共裝機(jī)5臺(tái)。

2 地形條件和溢洪道總體布置25

溢洪道位于大壩右岸山體約70m的埡口處，右側(cè)山體順河向延伸，左側(cè)山體垂直河流延伸，形成了“丁”字形山體；溢洪道在“丁”字的根部開挖而成，右岸坡高陡峭，開挖邊坡高達(dá)30余m，左岸山坡相對(duì)平緩，開挖邊坡高約10m。

受地形限制和除險(xiǎn)加固的工程特性，溢洪道在維持現(xiàn)有總體布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了局部調(diào)整，調(diào)整后溢洪道從上至下依次仍保持為進(jìn)口段、控制段、陡槽段、消能段、出水渠等部分，全長1080m。進(jìn)口段長12.4m，底板高程為94.22～94.66m；控制段長27.9m，設(shè)堰控制，上、下游底板高程為94.66m；陡槽段總長度189.24m，共分為兩級(jí)，一級(jí)陡槽段長28.5m，底寬從34.0m漸變?yōu)?8.0m，兩側(cè)岸坡均為1:1，同時(shí)溢洪道左轉(zhuǎn)17.56°，中心轉(zhuǎn)彎半徑350m；二級(jí)陡槽段長160.74m，為底寬18.0m的梯形斷面，兩側(cè)岸坡均為1:1；溢洪道消能段長80.26m，采用分別長35m和26m的兩級(jí)消力池消能；消力池后依次接護(hù)坦、海漫及出水渠，長度分別為15m、30m、325.2m。

3 溢洪道進(jìn)口至彎道段的初始方案設(shè)計(jì)

3.1初始方案布置

溢洪道進(jìn)口段長12.4m，底板高程為95.20～95.56m，底板縱坡為i=1/28.2；控制段長23.50m，采用頂寬34.00m的寬頂堰，堰頂高程95.56m，兩側(cè)邊坡1：1.0；一級(jí)陡槽段為收縮段，長33.5m，底寬從34.0m漸變?yōu)?8.0m，底板高程為95.56～85.55，底坡縱坡為i=1：3.5；收縮段后往左偏折5°接順直段為二級(jí)陡槽，曲率半徑為150m，二級(jí)陡槽長126.5m，底板高程為85.55～67.93，底坡縱坡為i=1：7；陡槽兩側(cè)岸坡均為1:1，同時(shí)溢洪道在陡槽段左轉(zhuǎn)17.56°，中心轉(zhuǎn)彎半徑350m，擬設(shè)三道導(dǎo)墻將陡槽段劃分為四個(gè)相對(duì)獨(dú)立的分流道。

3.2初始方案的計(jì)算

溢洪道進(jìn)口至轉(zhuǎn)彎段形成了一個(gè)復(fù)雜的平面形態(tài)，一方面溢洪道堰后開始收縮，底寬從凈寬34.0m收縮到18.0m，過流凈寬束窄了47%；另一方面，泄槽轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎角17.56°，使水流狀態(tài)復(fù)雜化。設(shè)置了三道導(dǎo)墻后，左、右岸坡平面折角產(chǎn)生的擾動(dòng)波后水流方向?qū)⑵D(zhuǎn)與邊坡方向平行，并分別向右、左分流道下游傳播，擾動(dòng)波分別由左、右導(dǎo)墻截?cái)嗖贿M(jìn)入右中、左中分流道，左、右兩道擾動(dòng)波之間的區(qū)域近似視為無橫向環(huán)流區(qū)；中導(dǎo)墻將中部平順?biāo)髟俜譃槎謩e進(jìn)入左中、右中流道；通過三道導(dǎo)墻抵擋擾動(dòng)波的相互傳播同時(shí)約束水流的橫向環(huán)流，使四個(gè)分流道水流流態(tài)相對(duì)平順。分流道進(jìn)入彎道后的平順段后重新合并為單一流道。

兩岸坡平面折角產(chǎn)生的擾動(dòng)波后水流方向?qū)⑵D(zhuǎn)與邊坡方向平行，相應(yīng)水深、流速也躍變；擾動(dòng)波前水流可視為無橫向環(huán)流的恒定流。初始方案的左、右導(dǎo)墻應(yīng)能擋住從兩岸坡平面折角產(chǎn)生的擾動(dòng)波，使其不進(jìn)入左中、右中分流道。波角、波峰后水深、流速按下列公式計(jì)算：

式中：

β1—沖擊波波角；

θ—邊墻偏轉(zhuǎn)角或水流方向偏轉(zhuǎn)角；

Fr1—起始斷面弗勞德數(shù)；

h1、h2—起始斷面與波峰下游斷面水深；

vl、v2—起始斷面與波峰下游斷面流速。

由于擾動(dòng)波傳播長度較大，波前流速的變化不可忽略，需分段采用式（1）計(jì)算b=0、b=B/2、b=B的擾動(dòng)波參數(shù)；進(jìn)入左、右分流道的流量可采用辛普森積分法按下式計(jì)算：

式中：

B —分流道的寬度。

左中、右中分流道進(jìn)口流態(tài)視為無橫向環(huán)流的恒定流，可按進(jìn)口寬度比例折算分流道的流量。

各分流道可視為恒定流，可按一元流用能量方程計(jì)算各斷面的水位。經(jīng)試算推演，形成導(dǎo)墻和分流道的初始方案，見圖1。

4 水力模型試驗(yàn)及優(yōu)化

廣東省水利水電科學(xué)研究院對(duì)初始方案進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果反映，溢洪道溢流堰進(jìn)口入流平順，堰后兩側(cè)水流出現(xiàn)較明顯的側(cè)向收縮，對(duì)溢洪道的泄流能力產(chǎn)生了一定的影響，使庫水位高于設(shè)計(jì)值；經(jīng)導(dǎo)水墻調(diào)配后，偏流現(xiàn)象已不明顯，右分流道水面較左分流道高0.3～0.4m；在陡槽轉(zhuǎn)彎變坡處右分流道存在水流折沖現(xiàn)象。總體上，采用了多流道方案減輕了彎曲段沖擊波的影響，改善了陡槽彎道段的流態(tài)。

在初始方案的基礎(chǔ)上，廣東省水利水電科學(xué)研究院對(duì)溢洪道的布置進(jìn)行了優(yōu)化修改。將控制段的寬頂堰改成了駝峰堰，堰前左直線導(dǎo)墻處的改成了半徑為15m的弧形導(dǎo)墻，加大了溢洪道的過流能力；將右導(dǎo)水墻和中導(dǎo)水墻縮短；分流道內(nèi)增設(shè)了數(shù)道高0.4m、間距6.5m的階梯，增大了泄流的紊動(dòng)和摻氣，降低了陡槽面的流速，減輕了下游消能壓力。推薦的溢洪道前段（進(jìn)口段至多流道式彎道段）的布置見圖2。

圖1 溢洪道前段初始方案圖

圖2 溢洪道前段推薦方案圖

表1 多流道彎道段水力模型試驗(yàn)成果摘錄表

模型試驗(yàn)在初始方案和推薦方案的多流道彎道各設(shè)置了測驗(yàn)斷面，其中在水庫下泄百年一遇洪水（下泄流量327.22m）時(shí)，測驗(yàn)數(shù)據(jù)摘錄見表1 。

根據(jù)表1的觀測成果，采用多流道方案均能達(dá)到將水流紊動(dòng)限制在分流道內(nèi)的目的。經(jīng)過優(yōu)化后，流速降低、水深加大，流速和水深在各分流道的分布更趨于均勻，能有效降低流出多流道段水流產(chǎn)生的橫向環(huán)流，有利于后續(xù)段保持流態(tài)的穩(wěn)定。

5 運(yùn)行狀況

黃山洞水庫于2008年9月開始除險(xiǎn)加固，于2010年11月竣工投入運(yùn)行。2010年6月黃山洞水庫溢洪道進(jìn)行了泄洪，水庫最高洪水位為95.71m，雖然過水尚淺，但仍然觀察到水流流態(tài)與預(yù)想基本吻合。

6 結(jié)語

采用多流道設(shè)計(jì)方案，可將復(fù)雜邊界條件下的主流道切割成邊界條件相對(duì)簡單的分流道，減輕主流道內(nèi)水流紊動(dòng)和沖擊波的相互影響，彎道時(shí)還可因單流道凈寬的降低從而降低橫向水位差的絕對(duì)值，使得水流條件趨向簡單化、可控化，可在類似水利工程中加以運(yùn)用。

1. 《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]》 SL253—2000. 中國水利水電出版社。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.05.025

TV65

B

1672-2469（2014）05-0081-03

25作者簡介：周 斌（1972年—），男，高級(jí)工程師。