淺談環(huán)型溢洪道的設(shè)計(jì)

李雙喜

【摘要】利用旋流場理論分析，大膽、巧妙地將環(huán)型堰與消力井相結(jié)合，采用簡便可行設(shè)置防渦墩和外防渦墻的環(huán)型溢洪道泄流消能方式。成功地解決了進(jìn)口流速較大且流速分布極不均勻，水力條件較為復(fù)雜的泄流和消能問題。再經(jīng)兩個(gè)水文年的溢洪實(shí)踐，表明該設(shè)計(jì)與研究在滿足泄洪和消能方面均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。并比常規(guī)的設(shè)計(jì)可節(jié)約工程投資的1/4∽1/3；而且更為安全可靠。對在城市防洪排澇；中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中；山區(qū)狹長水庫行近流速比較大或切向流速比較大的水庫中，均具有良好的推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】環(huán)型溢洪道；旋流；消能；防渦設(shè)施；設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

【Abstract】Swirl field theory analysis， bold， cleverly ring weir and stilling well the combination of simple and feasible set of anti-vortex pier and anti-vortex wall ring spillway energy dissipation. Successfully resolved the larger inlet velocity and the velocity distribution is uneven， more complex hydraulic conditions of discharge and energy dissipation. And then two the spillway practice of the hydrological year， that the design and research to meet the spillway and energy dissipation have reached the design of the desired effect. ∽ 1/3 and 1/4 of the conventional design can save the project investment； and more secure. In urban flood control and drainage； the discharge of small and medium-sized water conservancy and hydropower project and a hole in the multi-use； narrow mountain reservoir near the flow rate or tangential flow rate is relatively large reservoir， have good promotional value.

【Key words】Ring spillway；Cyclone；Energy dissipation；Anti-vortex facilities；Design and Experimental Study

1. 工程概況

某河流流域面積為21Km2，為山區(qū)雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，漲峰歷時(shí)短的特點(diǎn)。城市的發(fā)展導(dǎo)致地面硬化，水流下滲量減少，加大短時(shí)地表徑流。由于歷史的原因，河道過水?dāng)嗝鏈p小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地勢低洼，致使上游地區(qū)及市區(qū)暴雨強(qiáng)度較大時(shí)，極易形成內(nèi)澇，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。 為解決水環(huán)境問題，擬在修建一條排污分洪隧洞。

工程的主要任務(wù)是分泄河道汛期大部分洪水，提高防洪能力。樞紐工程由環(huán)型溢洪道、隧洞等兩大部分組成，其最大排洪量為100m3/s。

2. 進(jìn)口方案比較

為減少洪水對工程的影響，該工程分洪隧洞的進(jìn)口引渠與河道呈83°的交角；該河道河槽底部高程1062m，設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為V0=4.97m/s，這有別于水庫近似V0=0m/s行進(jìn)流速。在布置設(shè)計(jì)時(shí)研究過三種可能的布置形式：

2.1豎井式溢洪道。傳統(tǒng)的豎井式溢洪道由環(huán)型堰、漸變段、豎井、彎管及泄水隧洞進(jìn)口四部分組成。其消能機(jī)理是，當(dāng)環(huán)型堰進(jìn)口曲線下端的高速水流脫離井壁時(shí)，挾帶空氣射入消力井中，與井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根據(jù)其消能機(jī)理在布置設(shè)計(jì)其需要一段較長的漸變段、豎井、彎管來控制水流，使水流在其中充分消能。

2.2環(huán)型溢洪道。環(huán)型溢洪道由環(huán)型堰、消力井和消力井三部分組成。與豎井式溢洪道相比其少了漸變段、豎井、彎管，增加了消力井。其消能機(jī)理是，經(jīng)過引渠引入的水流，進(jìn)入環(huán)型堰進(jìn)口時(shí)，在環(huán)型堰曲線下端形成高速射流，脫離環(huán)型堰壁后，挾帶空氣射入消力井中，與消力井的水墊相互碰撞消能。

2.3龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能。采用龍?zhí)ь^式實(shí)用堰引流，使水流進(jìn)入消力池消能。豎井式溢洪道與環(huán)型溢洪道相比雖然工程投資相當(dāng)，但其水墊較淺，消能效果沒有環(huán)型溢洪道的好；再加上受漸變段、豎井，尤其彎管的曲率半徑R不能滿足2～5倍控制段直徑要求，使得輸水隧洞內(nèi)會出現(xiàn)不穩(wěn)定的流態(tài)，甚至在彎管部位會出現(xiàn)很大的負(fù)壓。而環(huán)型溢洪道正好克服了這些缺點(diǎn)被確定為實(shí)施方案。環(huán)型溢洪道與龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能相比減少占地約40%.綜上所述，從經(jīng)濟(jì)和社會效益上分析，采用較安全可靠的環(huán)型溢洪道比采用豎井式溢洪道、龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能均節(jié)約投資1/4～1/3，并減少占地約40%.而且更為安全可靠，大大降低泄洪的聲響及水霧，大大提高防洪能力，工程的建成并不對周邊的環(huán)境帶來不利的影響。

3. 環(huán)型溢洪道的設(shè)計(jì)

該工程按200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）的規(guī)定，本工程等別為II等，環(huán)型溢洪道等永久建筑的級別為2級。環(huán)型溢洪道由引渠、環(huán)型堰、消力井三部分組成。

3.1環(huán)型溢洪道的理論分析。由于本工程受其用地的限制，進(jìn)口引渠位于距河道轉(zhuǎn)彎上游凸岸一側(cè)的約25m的河道上，該處河道水流流速約4m/s，使得進(jìn)口引渠的水流有偏流現(xiàn)象，水面高差0.5～0.8m.由于偏流的存在，環(huán)型溢洪道水力學(xué)參數(shù)的求解必須借助于旋流理論根據(jù)質(zhì)量守恒及動量守恒導(dǎo)出的連續(xù)性方程與動量方程（又稱N-S方程）：endprint

3.2環(huán)型堰設(shè)計(jì)。

3.2.1定型水頭的確定 現(xiàn)行《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253-2000明確規(guī)定：當(dāng)采用低堰時(shí)其定型水頭取Hd=0.65∽0.85Hmax，結(jié)合本工程大多數(shù)情況是在低水頭運(yùn)行和洪水有陡漲陡落的特點(diǎn)；同時(shí)考慮到引渠內(nèi)有4 m/s左右的的初始流速，為增加泄流量，確定采用定型水頭Hd=0.808H max的定型水頭。

3.2.2圓形控制段半徑的計(jì)算 已知該工程的該工程的分洪流量為100m3/s，根據(jù)堰流流量公式。

3.2.3堰面曲線的設(shè)計(jì)。根據(jù)進(jìn)口處的實(shí)際地形條件環(huán)型溢流堰布設(shè)為低堰，堰高Hp=0.5m.堰面曲線的設(shè)計(jì)象一般實(shí)用堰和豎井式溢洪道一樣，環(huán)型堰的形狀（漏斗段）是根據(jù)銳緣薄壁環(huán)堰的水舌下緣剖面繪制。R堰頂半徑為3.3m及Hp=0.5m，根據(jù)Hp/R及定型水頭Hd查文獻(xiàn)1上的相應(yīng)表可得的堰面曲線坐標(biāo)。

3.3消力井的初步設(shè)計(jì)。現(xiàn)行《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SD134-84規(guī)定，混凝土襯砌隧洞要防止高速水流的沖刷，噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s。根據(jù)動勢能轉(zhuǎn)換原理可求得本工程跌落進(jìn)消力井水舌的入水流速V=16m/s。大于噴錨襯砌的允許流速，接近高速水流的范疇。為減少對隧洞的沖刷降低流速，必須采取消能措施進(jìn)行消能。本工程擬采用的消能措施是消力井。其幾何尺寸主要是先根據(jù)跌落進(jìn)池中水流共軛水深和水躍長度初步確定，經(jīng)計(jì)算本工程的共軛水深為4.6m；水躍長度6.4m.考率到本工程的進(jìn)口流態(tài)較復(fù)雜，為工程的安全，在布置設(shè)計(jì)時(shí)考慮充分的消能率池深取為5.21m，直徑為8.6m.

因此，還需用水力試驗(yàn)來加以研究確定，并為類似的工程提供一個(gè)比較簡單易懂的數(shù)據(jù)。

3.4理論消能率的計(jì)算。消能率是評價(jià)消能工消能效果的一個(gè)指標(biāo)，其等于經(jīng)過消能的能量損失與泄洪隧洞進(jìn)口段總能量之比；而經(jīng)過消能的能量損失等于該泄洪隧洞進(jìn)口段總能量減去隧洞進(jìn)口段總的能量之和。經(jīng)計(jì)算隧洞洞內(nèi)在設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為4.1m/s，則消力井的理論消能率為73%.以就是說跌落進(jìn)消力井水舌的入水流速V=16m/s的水流，在進(jìn)洞時(shí)其流速接近洞內(nèi)在設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為4.1m/s，則表明消能較好。在工程布置時(shí)還需研究合理可行的消能放渦設(shè)施。以用于提高其消能率。

4. 試驗(yàn)研究環(huán)型溢洪道是一種新泄洪方式，工程實(shí)例較為少見

對于偏流現(xiàn)象目前還不能對之進(jìn)行較為精確的水力學(xué)計(jì)算。亦不能計(jì)算進(jìn)口河道偏流對環(huán)型堰泄流能力的影響；以及為對防渦設(shè)施的進(jìn)一步研究，為樞紐建筑物的結(jié)構(gòu)布置提供試驗(yàn)依據(jù)。這也是進(jìn)行水工模型試驗(yàn)的目的。

試驗(yàn)主要研究泄洪隧洞單獨(dú)泄洪和泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪兩種方式。上游河道控制最高水位1067.00m時(shí)，泄洪隧洞單獨(dú)泄洪最大泄流量100.00m3/s，泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪時(shí)，最大泄流量140.00m3/s，下游河道控制流量40.00m3/s，泄洪隧洞泄洪流量100.00m3/s。水工模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)為正態(tài)模型，幾何比尺采用1：20，滿足糙率相似。經(jīng)過對五種方案的試驗(yàn)研究，實(shí)測了模型中的各種水力參數(shù)、流態(tài)和消能特性，并為工程設(shè)計(jì)推薦了一個(gè)比較合理的方案。

4.1進(jìn)流水力特性。本工程引渠方向與河道呈83°的交角，使得行近水流具有較大的初始環(huán)量，造成進(jìn)流流速分布極不均勻，引渠左右流速差達(dá)4.00m/s.且存在較大橫向水面差，橫向水面差值為0.5～0.8m.并且在進(jìn)口上游無任何調(diào)節(jié)及穩(wěn)流設(shè)施，水流從河道經(jīng)寬頂堰直接進(jìn)入環(huán)型溢洪道，致使水流流速較大，高達(dá)8m/s，極大影響了進(jìn)流流態(tài)。若不采用防渦設(shè)施或采用不當(dāng)，將會使環(huán)型溢洪道的下泄水流產(chǎn)生較強(qiáng)的豎軸吸氣旋渦，產(chǎn)生巨大的聲響。同樣由于環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)流分布極不均勻，在環(huán)型溢洪道面上產(chǎn)生局部負(fù)壓，對建筑結(jié)構(gòu)極為不利，嚴(yán)重降低了環(huán)型溢洪道的泄流量，使上游河道水位大幅度升高。

在泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪方式時(shí)，由于下游河道泄流，環(huán)型溢洪道引渠進(jìn)口水流的主流下移，致使進(jìn)口的進(jìn)水角增大，增大了行近水流的初始環(huán)量，加劇了環(huán)型溢洪道的橫向繞流，最大橫向繞流流速達(dá)10.89m/s，水流流態(tài)更加紊亂，同樣若不采取工程措施，將會使得豎向環(huán)型溢洪道在聯(lián)合泄流時(shí)較單獨(dú)泄流時(shí)的泄流量要低。

4.2防渦設(shè)施的確定。該工程環(huán)型溢洪道來流流速較大，偏流現(xiàn)象嚴(yán)重，流速分布極不均勻，在環(huán)型溢洪堰前產(chǎn)生較大的橫向繞流，水流流態(tài)更加紊亂，影響泄流。設(shè)計(jì)時(shí)擬在堰頂上布置了四個(gè)防渦墩的工程措施，但對于其防渦效果如何，還需進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行研究。

4.2.1不設(shè)防渦設(shè)施。不設(shè)防渦設(shè)施時(shí)，由于受到上游來水極不均勻的影響，在環(huán)型溢洪道前產(chǎn)生較大的橫向流速，導(dǎo)致水流的旋轉(zhuǎn)，隨著流量的增加進(jìn)口漩渦直徑及強(qiáng)度亦逐漸加大，溢流能力較低。在流量Q=61.00m3/s環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流時(shí)，進(jìn)口旋渦直徑5.60m，并伴隨著巨大的聲響，上游河道水位1067.14m，已超過最高防洪水位。

4.2.2環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩，墩與墩之間夾角12°，墩的位置經(jīng)試驗(yàn)調(diào)整確定，1#墩軸線與引渠對稱中線的夾角25°。

受水力條件的影響，環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉(zhuǎn)水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻。在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q=100.00m3/s時(shí)，上游河道水位1066.24m。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí)，環(huán)型溢洪道后側(cè)的橫向流速為10.89m/s，上游河道水位1067.42m，超過校核水位0.42m。

4.2.3環(huán)型溢洪道周邊設(shè)4個(gè)防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)4個(gè)防渦墩，墩與墩之間夾角90°，1#墩軸線與引渠對稱中線的夾角45°（該方案為原設(shè)計(jì)方案）。在環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉(zhuǎn)水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻，在環(huán)型溢洪道上游的右側(cè)1#防渦墩下游溢流面上產(chǎn)生負(fù)壓，最大負(fù)壓值為1.25mH2O。在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q=100.00m3/s時(shí)，上游河道水位1066.30m.在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí)，上游河道水位1067.50m，超過校核水位0.50m。endprint

4.2.4設(shè)3個(gè)防渦墩和1個(gè)外防渦墻 根據(jù)在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩方案與設(shè)4個(gè)防渦墩的方案試驗(yàn)成果比較，選定在設(shè)3個(gè)周邊防渦墩方案的基礎(chǔ)上，經(jīng)不同位置和尺寸的比較試驗(yàn)，在環(huán)型溢洪道的橫向?qū)ΨQ線上的右側(cè)邊墻布置一寬為1.90m的外防渦墻。

外防渦墻截?fù)趿擞覀?cè)的較大偏向水流流速，減小了環(huán)型溢洪道周邊的橫向繞流流速，但環(huán)型溢洪道周邊還存在旋轉(zhuǎn)水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻，該方案水流條件較其它方案均有較大的改善。在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q=100.00m3/s時(shí)，上游河道水位1066.18m.在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí)，環(huán)型溢洪道后側(cè)的橫向流速為5.34m/s，上游河道水位1066.88m，低于校核水位0.12m。

4.2.5設(shè)3個(gè)防渦墩和2個(gè)外防渦墻 在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩、1個(gè)外防渦墻方案的基礎(chǔ)上，在環(huán)型溢洪道1#防渦墩的對稱沿長線的邊墻上布置一寬為1.90m的外防渦墻，成為3個(gè)周邊防渦墩和2個(gè)外防渦墻方案（該方案為終結(jié)方案）。

5. 試驗(yàn)研究成果分析

5.1試驗(yàn)成果。對該分洪隧洞工程的進(jìn)口樞紐，進(jìn)行了五種大方案十余種防渦墩布置方案的試驗(yàn)研究，對于環(huán)型溢洪道要使來水均勻地進(jìn)入環(huán)型溢洪道，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)流動，僅僅具有適合的引水渠輪廓尚不能獲得成功，還要根據(jù)工程的具體水力邊界條件，必需采用相應(yīng)的防止漩渦的設(shè)施。環(huán)型溢洪道僅在周邊設(shè)置防渦墩方案與環(huán)型溢洪道周邊設(shè)置防渦墩和外防渦墻共同使用方案比較，在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流情況下，在Q=100.00m3/s時(shí)，寬頂堰出口平均流速，左右側(cè)流速差從1.83m/s減至0.11m/s，在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí)，寬頂堰出口平均流速，左右側(cè)流速差從4.04 m/s減至1.57 m/s，在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流Q=100.00m3/s時(shí)，上游河道水位從1066.24m降至1066.18m，在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q=140.00m3/s時(shí)，上游河道水位從1067.42m降至1066.38m，效果明顯。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將原設(shè)計(jì)環(huán)型堰上布置有4個(gè)防渦墩減少為3個(gè)，為更好的防止渦流的產(chǎn)生，在引渠邊墻增加兩道防渦墻。試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)泄洪量Q=100m3/s時(shí)，最大動水壓力為18.6mH20，最大沖擊流速為8.7m/s；較入射水流流速V=16m/s減小了進(jìn)一半，基本滿足了噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s的要求。此時(shí)的消能率為58.2%，為理論消能率的80%，消能效果較為顯著；而且這種消能形式結(jié)構(gòu)簡單新穎易于布置。

5.2試驗(yàn)研究成果分析。鑒于水流邊界的特殊性和環(huán)型溢洪道是一項(xiàng)較為新穎的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)未見有類似的工程實(shí)例。對于防渦設(shè)施、消力井的布置沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。其中僅環(huán)型堰的孔口尺寸可以由堰流公式進(jìn)行計(jì)算。其于未見有較為明確的理論公式計(jì)算，為此本設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究對此作了如下的分析工作。

在布置設(shè)計(jì)時(shí)只要滿足消力井的長是環(huán)型堰的0.8倍，深度為0.5倍，同時(shí)滿足落差的0.25倍；防渦墩和防渦墻是環(huán)型堰的0.2倍。即可滿足要求。大大地簡化了設(shè)計(jì)，為今后的推廣應(yīng)用提供了方便。

6. 結(jié)語

利用旋流場理論分析，結(jié)合工程實(shí)例大膽、巧妙地采用目前未見使用環(huán)型堰與消力井相結(jié)合，采用簡便可行設(shè)置防渦墩和外防渦墻環(huán)型溢洪道的泄流消能方式。并經(jīng)試驗(yàn)加以論證，成功地解決了進(jìn)口流速較大且流速分布極不均勻，水力條件較為復(fù)雜的泄流和消能問題。再經(jīng)具體工程實(shí)例的兩個(gè)水文年度溢洪實(shí)踐，表明該工程設(shè)計(jì)與研究的布置型式在滿足泄洪和消能方面均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。本設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究成果，比常規(guī)的設(shè)計(jì)可節(jié)約工程投資的1/4∽1/3；而且更為安全可靠。大大降低泄洪的聲響及水霧，減少因工程的建設(shè)對環(huán)境的不利影響。本設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究提出了簡單易行的設(shè)計(jì)參數(shù)和成果。對在城市防洪排澇；中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中；山區(qū)狹長水庫行近流速比較大或切向流速比較大的水庫中，均具有良好的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]《水工設(shè)計(jì)手冊》第六卷，泄水與過壩建筑物，北京，水利電力出版社.

[2]《水流旋流器流場理論》，北京，科學(xué)出版社.

[文章編號]1619-2737（2015）01-08-633endprint