高落差泄水建筑物水力模型試驗的論證研究

【摘要】烏蘇市城市防洪工程洪水標準為30年一遇，堤防工程級別均為3級，洪峰流量Q=59.52m3/s，總長7.66km，末端182m為陡坡及消力池段，高差76.63m；天然縱坡i=0.82，采用水力學經驗公式計算結果不可靠，故委托委托新疆農業大學水利水電研究所對陡坡消力池進行水力模型試驗，設計過程中結合科研部門分析成果確定了水工建筑物的主要設計參數，為今后同類工程的設計提供寶貴經驗和資料。本文結合工程特點主要針對模型試驗的方法及結論進行闡述。【關鍵詞】城市防洪；陡坡消力池；水力模型1、工程概況烏蘇市是新疆自治區重點發展縣市之一，經濟發展較快，具有較大發展潛力。結合最新城市總體規劃，現有防洪體系無法保證城市安全。烏蘇市城市防洪工程對于城區市民生命財產安全和安居樂業具有重大意義。本工程主要針對城市以南的14條洪溝，通過修建防洪工程本防洪工程以現狀城南防洪堤為起點，總體布置大致為由西向東沿天然地形布置，將涉及不利洪水導入天然河道內。工程修建防洪堤7.66km，除末端182m為臺階消能及出口段、采用矩形斷面，其余段落采用梯形砼板襯砌形式。2、陡坡段設計方案選擇本工程防洪堤屬常規工程設計，但末端長182m、天然落差大（76.63m）、縱坡陡（i=0.82），同時受兩條道路和兩條渠道影響將其分為數段且不能影響現狀道路及渠道高程，屬本工程難點，因此將該段工程作為本工程重點設計內容。方案選擇采用一級臺階消能方案和兩級臺階消能方案進行比較，在滿足不影響現狀道路及渠道高程前提下，采用兩級臺階消能方案最為可行。針對此段分析，兩級臺階消能段總長182m，其中一級臺階消能段長101.83m，二級臺階消能段長80.2m。3、泄水陡坡水工模型試驗3.1 模型設計和制作模型設計遵循重力相似準則，采用正態模型。為使模型試驗能夠較真實地反映原型的水流情況，在選擇水工結構模型材料時必須近似模型材料的糙率要求。根據重力相似要求，有：原型泄水建筑物的糙率，模型泄水建筑物的糙率應為，有機玻璃材料的糙率一般為0.008～0.009，滿足糙率要求，所以模型中泄水建筑物材料選用有機玻璃。3.2 設計方案水工模型試驗3.2.1 模型試驗主要工況試驗采用三角形薄壁量水堰，用于測定恒定流流量，量水堰堰型滿足量程和精度要求。三角形形薄壁量水堰的流量計算參見公式2-2，可以得到三角形量水堰H～Q關系表。3.2.3 泄水陡坡水流流態通過對試驗觀察，總結泄水陡坡各段水流具體流態描述如下：（1）水流在最大下泄流量工況中，進口段水流平穩，水面波動較小，與泄水陡坡段水流連接順暢。（2）泄水的兩級陡坡在最大流量時，一級陡坡內由于坡度較陡水深較小，沿程臺階上旋流明顯，二級陡坡內水深相對一級來說有增大，沿程臺階前半部分無明顯旋流，陡坡段有摻氣。（3）兩級消力池段內產生淹沒水躍，流態正常，池內水深相對較大，一級消力池內最大水深為4.80m，二級消力池內最大水深4.84m，消力池邊墻設計高度不夠。3.2.4 泄水陡坡沿程水深當泄洪建筑物下泄最大下泄流量時，試驗測試記錄典型斷面的水深。按實測的有關數據進行摻氣水深計算，規范推薦的計算公式為：

3.3試驗結論通過水工模型試驗，得到設計方案的水流流態、水面線等，對試驗結果分析初步得出如下結論：（1）在最大下泄流量59.52m3/s工況中，在泄水陡坡進口段、一級陡坡、一級消力池、二級陡坡、二級消力池和出口段內水流流態正常，消能較充分，滿足設計要求。（2）在59.52m3/s下泄流量時陡坡進口段水流平穩，水面波動較小，與泄水陡坡段水流連接順暢，邊墻高度滿足要求。（3）泄水一級陡坡在59.52 m3/s下泄流量時，由于坡度較陡水深較小，沿程臺階上旋流明顯，陡坡段有摻氣。陡坡段沿程水深逐漸減小，最大水深發生在樁號7+207.7m處，水深為1.36m，考慮摻氣水深為1.416m，邊墻設計高度為1.926m，基本滿足設計要求。（4）一級消力池段內產生淹沒水躍，流態正常，池內水深相對較大，一級消力池進口水流旋滾區水流跳躍明顯，最大水深達到4.80m，消力池中后部水流波動時較高水深在4.5m-4.7m，而消力池邊墻設計高度為4.5m，不能滿足要求，建議一級消力池邊墻根據規范要求適當加高。（5）泄水二級陡坡在59.52 m3/s下泄流量時，泄槽內水深相對一級來說有增大，沿程臺階前半部分無明顯旋流，后半部分臺階上有旋流，陡坡段有摻氣。陡坡段沿程水深逐漸減小，最大水深發生在樁號7+309.5m處，最大水深為1.28m，考慮摻氣水深為1.336m，邊墻設計高度為1.18m，不能滿足要求，建議二級陡坡邊墻按照規范要求加高。（6）二級消力池段內產生淹沒水躍，流態正常，池內水深相對較大，總體池內水深比一級消力池內水深稍大，二級消力池內最大水深4.84m，消力池邊墻設計高度為4.3m，不能滿足要求，建議二級消力池邊墻按照規范要求加高。4、結語本工程陡坡消力池段落差、縱坡較大，采用水力學經驗公式計算結果不可靠，通過水力模型試驗，有效指導了計算中有關參數的選取，充分驗證水力計算成果，為水工建筑物主要設計參數確定提供可靠參考。同時為今后同類工程設計提供寶貴經驗和資料。參考文獻：[1]《新疆烏蘇市城南防洪應急工程初步設計（代可研）報告》，2018年1月。[2]《烏蘇市城市防洪應急工程泄水陡坡水工模型試驗研究報告》，2018年8月。作者簡介：吾提庫爾·胡斯曼（1973年10月—），高級工程師，研究方向：從事于水利水電勘察規劃與設計工作。