佛寺水庫除險加固工程溢流堰泄流能力試驗研究

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 工程概況

遼寧省佛寺水庫位于阜新蒙古族自治縣境內，細河支流伊馬圖河中下游，始建于1976年，1984年建成運行，設計總庫容1.45億m3，是一座具有防洪、供水、養魚等綜合效益的大(2)型水利工程。水庫永久性擋水和泄水建筑物按100年一遇洪水標準設計，2000年一遇洪水標準校核，消能防沖建筑物為50年一遇洪水標準，承擔保護下游阜新地區和錦州義縣部分城區23 萬畝耕地和20 萬人口生命財產安全。由于受當時建設資金和技術水平的影響，水庫一直處于帶病運行狀態，經鑒定為“三類壩”。為保障下游地區人民生命和財產安全，2016年開始對該水庫進行除險加固工程建設，并對溢洪道控制段閘室進行拆除重建。

佛寺水庫溢洪道為開敞式，位于主壩右岸，主要包括進水渠、控制段、泄槽、差動式挑流鼻坎、沖刷坑及出水渠。控制段采用開敞式溢流堰，為WES實用堰，堰頂高程136.00m，堰高1.0m；閘室長16m，寬45.3m，按4孔布置，單孔寬9.0m，閘頂高程148.66m；各孔設平板工作閘門(9.0m×4.5m)和檢修閘門(9.0m×5.5m)，工作閘門設計擋水水位為140.00m，閘后設漸變段，長42.0m，縱坡0.02，詳見圖1。

圖1 溢洪道平面布置示意

2 溢流堰設計泄流能力計算

本工程溢流堰原型設計泄流能力主要依據《溢洪道設計規范》(SL253—2000)中開敞式WES型實用堰泄流能力經驗公式計算，其中流量系數m、上游堰面坡度影響修正系數c、中墩形狀系數ζ0、邊墩形狀系數ζk、淹沒系數σs等根據經驗確定，詳見公式(1)和公式(2)。經計算，設計洪水位時，溢流堰最大泄量為1492.43m3/s，校核洪水位時，最大泄量為2634.49m3/s。不同靜水位泄流量詳見表1。

(1)

(2)

式中Q——流量，m3/s；

B——溢流堰總凈寬，m；

b——單孔寬度，m；

n——閘孔數目；

H0——計入行進流速的堰上總水頭，m；

m——流量系數，查流量系數表確定；

c——上游堰面坡度影響修正系數，取1.0；

ε—閘墩側收縮系數；

ζ0——中墩形狀系數，取0.45；

ζk——邊墩形狀系數，取0.7；

σs——淹沒系數。

3 物理模型試驗方案

為使模型與原型的物理量和物理現象保持相似，按照水工模型試驗相似準則要求，本試驗選用整體模型，采用正態恒定流模擬。模擬原型范圍：縱向長度1200m，其中主壩軸線以上550m，以下650m，橫向寬度1260m，地形高程123.11～167.97m。模型地形高程誤差±2mm，建筑物高程誤差-0.05～0.1mm，符合《水工(常規)模型試驗規程》(SL/T155—2012)中相關規定。

依據重力相似準則及原型設計最大泄量，并結合試驗場地和設備供水能力，確定本試驗長度比尺Lr為50，其他物理量比尺見下頁表2。

4 物理模型試驗成果分析

4.1 庫區靜水位和溢流堰泄流量關系

為保證觀測成果精度，本次試驗按流量劃分為17組進行觀測，庫區靜水位(Z)和溢流堰泄流量(Q)觀測成果，詳見表3。經回歸分析，得出Z～Q回歸方程，方程確定系數為0.9992，接近于1，說明擬合優度較高，詳見公式(3)。Z～Q回歸方程：

Z=-0.00000051Q2+ 0.00539266Q+ 137.17 (3)

4.2 綜合流量系數分析

根據原型設計和試驗觀測成果分析計算，溢流堰綜合流量系數隨著水位的降低和流量的減小而增大，綜合流量系數變化范圍在0.401～0.428區間，其中溢流堰泄量1492.43m3/s時，綜合流量系數為0.407。綜合流量系數按公式(4)推求。

(4)

式中m——綜合流量系數(含側收縮系數、淹沒系數及流量系數)；

Q——流量，m3/s；

B——閘室凈寬，取36m；

H——堰上水頭。

5 物理模型試驗值與設計值對比分析

根據本次試驗成果，當設計洪水水位143.82m時，溢流堰泄流能力為1314.95m3/s，小于設計值1492.43m3/s，試驗值與設計值相差-11.89%；當校核洪水水位147.83m時，溢流堰泄流能力為2499.52m3/s，小于設計值2634.49m3/s，試驗值與設計值相差-5.12%。詳見表4和圖2。

表4 遼寧省佛寺水庫溢流堰泄流量物理模型試驗值與設計值對比分析

圖2 試驗值與設計值Z～Q關系曲線對比

6 泄流能力不足原因分析及解決方案

根據能量守恒定律、佛寺水庫溢洪道布置以及試驗觀測成果，造成佛寺水庫溢流堰泄流能力不足原因主要有：?溢流堰設計尺寸略有不足。根據公式(1)和公式(2)可知，溢流堰總凈寬(B)和堰上總水頭(H0)是影響泄流能力的主導因子。佛寺水庫共設4個溢流孔，單孔寬度為9.0m，總凈寬為36.0m，堰高1m。工程設計中適當增加溢流堰凈寬或降低溢流堰高度，可提高泄流能力。?溢洪道進水渠水流不均勻。受自然條件影響，佛寺水庫溢洪道進水渠左右岸不對稱，進水渠左、右岸易產生離散水流，且隨著流量增加，離散愈加劇烈，并在進水渠左岸伴隨產生明顯的水位降落現象，右岸產生壅水現象。試驗表明：當836.0m3/s≤Q≤1590.99m3/s時，進水渠左側圓弧段產生離散水流，右側水流條件較好；當1590.99m3/s

7 結 語

通過建立物理模型并進行觀測分析，佛寺水庫溢流堰在設計洪水水位143.82m時，泄流能力為1314.95m3/s，在校核洪水水位147.83m時，泄流能力為2499.52m3/s，綜合流量系數變化范圍為0.401～0.428。不同洪水位，溢流堰泄流能力試驗值均小于設計值，泄流能力未達到設計值，其原因主要為溢流堰設計尺寸略有不足，進水渠兩岸離散水流和右側壅水較為嚴重，導致流量系數偏小，溢流能力下降。工程設計中，可采取適當增加溢流堰凈寬或降低溢流堰高度、優化和改進進水渠型式，改善水流條件等措施提高泄流能力。