側槽式溢洪道水力特性模型試驗研究

杜躍亭 葉 龍1 宋炳忠

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020)

側槽溢洪道是一種傍山開挖的泄水建筑物，宜修建在山坡較陡，又無足夠場地來修建正槽溢洪道的場所[1]。溢洪道泄洪時受側槽長度、寬度、底高程、底坡降等多因素影響，槽內水動力條件復雜，容易形成不良水流形態，可能會對行洪安全帶來不利影響。從流體力學角度看，在較高流速條件下，變坡容易導致水流脫離泄槽底板，并在下游側形成空腔，引發汽蝕。參照相關計算公式[2]，泄槽末端及挑流鼻坎附近流速可達30m/s以上，極易發生汽蝕現象，影響建筑物壽命及工程運行安全。

為確保工程安全，有必要通過水工模型試驗，對溢洪道的泄槽規模、平面布置、下游消能等各項水力學問題開展研究，提出適合本工程的最佳泄洪方式，為同類型的工程設計提供科學的參考依據。

1 工程概況

景寧縣金村水庫壩高超過90m，泄洪水頭差大，現狀地形復雜，同時壩址處山谷狹長，屬于典型的“峽谷型”水庫。工程由擋水建筑物、泄水建筑物、輸水系統(進水口、隧洞及壓力管道)、放水建筑物(生態放空管)等組成。

擋水建筑物采用混凝土面板堆石壩，水庫正常蓄水位318.00m，正常庫容773.8萬m3；校核洪水位322.18m，校核洪水標準1000年一遇，總庫容905.4萬m3，本工程等別為Ⅳ等，水庫為小(1)型水庫。鑒于水庫攔河壩采用混凝土面板堆石壩，壩高超過90m，本次設計將攔河壩建筑物級別提高一級，按3級建筑物設計[3]。

泄水建筑物緊靠堆石壩左壩端布置，擬采用側槽式溢洪道，為正堰與側堰相結合的“L”形布置，側槽式溢洪道由側槽段、控制段、漸變段、泄槽段和挑流消能段5部分組成。初擬側槽起始斷面底寬6.0m，側堰長度38.5m，正堰長度15.5m，堰總長54m，正堰與側堰夾角為90°，控制段長30m，比降0.03，調整段長度20m。溢洪道100年一遇校核洪水洪峰流量522m3/s，50年一遇設計洪峰流量328m3/s，30年一遇消能設計流量300m3/s。

輸水系統位于水庫左側，進水口布置在壩址上游左岸，總長10.0km，隧洞全長9.2km、壓力管道0.8km。

放水建筑物由生態放空管與導流隧洞組成，導流隧洞采用城門洞形，洞高5m，洞寬4.0m，隧洞長度248.0m；導流放空管埋設在導流隧洞內，采用直徑為0.8m的鋼管。水庫工程總平面布置見圖1。

圖1 水庫工程總平面布置圖

2 水工模型試驗設計

2.1 水流運動相似

根據相關要求[4-6]，考慮研究對象特點、研究目的及內容，結合模型流量、水深、流速及相似率等相關水力參數，模型幾何比尺定為1∶40，按照重力相似準則設計，見式(1)。

(1)

式中v——水流速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

h——水深，m；

Fr——弗勞德數。

有關物理量的比尺換算關系見表1。

表1 相關模型比尺

2.2 模型范圍

模型上游庫區模擬至壩軸線以上200m附近，模擬的建筑物包括大壩(鄰近溢洪道部分的上游面)、溢洪道側堰及其堰前地形等；模型下游則模擬至溢洪道出口以下350m附近河道，包含了泄槽段、挑流鼻坎或消力池以及護坦段等關鍵建筑物。模型整體長約20m，寬約5m，高約2.6m。

本次試驗觀測內容包括流量、流速分布和流態、上下游水位、沿程水深和壓力、摻氣量、摻氣濃度等，通過對以上因素的觀測、對比與分析，為工程比選出最為適合的溢洪道布置方案。

3 原模型試驗方案

3.1 方案布置

溢流堰布置方案設置見表2，“L”形和“I”形堰平面布置見圖2～圖3。

表2 溢流堰布置方案設置

圖2 “L”形溢洪道方案注 圖中單位高程、樁號以m計，其他以cm計，余同

圖3 “I”形堰平面布置

3.2 泄流能力

溢洪道進口采用開敞式溢流堰，其型式為WES實用堰，泄流能力按堰流公式計算：

式中Q——下泄流量,m3/s；

σc——側收縮系數，取1.0；

m——流量系數，保守計取0.46；

B——溢流堰凈寬,m，計算時以側槽控制段長度30m計；

H0——堰上水頭,m。

試驗量測了“L”形堰及“I”形堰兩種布置方案在不同水位下的泄流能力，其水位流量關系成果見表3。

總體來說，通過對設計數位的控制，兩種布置方案的實測泄流能力均超過了設計計算值，其中“L”形堰方案富余量明顯超過“I”形堰方案，后者則與設計值相對較為接近?？紤]“L”形堰方案泄流能力較設計值富余甚多，若按該水位進行控制并開展試驗，得到的試驗成果對于下階段設計和今后控制運行的參考意義不大，經過討論，“L”形堰方案的上游控制條件采用設計計算的下泄流量值。而“I”形堰方案的試驗泄流能力與設計值較為接近，上游邊界條件仍按試驗實測的流量進行控制，試驗工況見表4，本文以下所述的水流流態及流速分布、泄槽壓力值、消能試驗均采用該表格參數。

表3 不同工況泄流能力比較

表4 模型試驗工況

3.3 側槽水流流態及流速分布

試驗對“L”形堰和“I”形堰方案的校核(P=0.1%)、設計(P=2%)、消能(P=3.3%)及5年一遇(P=20%)四組工況的沿程水流流態及流速分布進行了觀測，通過分別對溢流堰段、調整段、泄槽段進行分析，兩種溢洪道方案的沿程流態和流速分布主要具有以下特點：

a.校核工況時，“L”形堰方案槽首斷面的淹沒度為0.63，側槽方案首端斷面的淹沒度為0.83，均超過規范要求的0.5；其次，“L”形堰方案在下泄設計工況以下流量時，出現遠驅式急流流態，與規范要求的“槽內應為緩流，側槽內不得產生水躍”不符，因此，兩種方案均不符合規范要求，側槽內流態見圖4。

圖4 消能工況側槽水流流態

b. “I”形溢流堰方案水流漩滾影響范圍及左岸邊墻的水位爬高明顯大于“L”形堰方案，其中“L”形方案最遠影響至調整段末端Y0+050.0，而側槽方案可至陡槽段的Y0+070.0位置。至泄槽下游段后，兩組方案的流速分布均趨于均勻，槽內無明顯沖擊波及折沖水流出現，斷面水深分布也較均勻，槽末斷面最大流速達到30m/s以上。因此，從水流流態及流速分布上看，“L”形堰及“I”形堰方案均不滿足規范要求，經初步分析，筆者認為主要原因為側槽深度或寬度不足，從而導致槽內產生急流段或淹沒出流。從泄水建筑物的安全方面考慮，初步選定“L”形側槽溢流堰方案為推薦方案。

3.4 泄槽壓力值分布

為了解陡槽在高速水流影響下是否會產生負壓和汽蝕破壞，試驗在挑流方案的陡槽中心線上布置了11個測壓孔，測壓孔位置布置詳見表5，泄槽沿程水壓力詳見圖5。

表5 測壓孔位置

圖5 溢洪道泄槽沿程水壓力

圖6 溢洪道泄槽沿程空化系數

由圖5、6表明，溢洪道泄槽沿程水壓力隨庫區水位的增加而逐漸增加，并在挑流鼻坎最低點(測點10)出現極值；在不同工況下，泄槽沿程空化數約為0.20～4.71，而溢洪道按不平整度控制的初生空化數為0.32，因此樁號Y0+138.90和樁號Y0+171.60均有可能產生空化及汽蝕破壞。建議在陡槽樁號Y0+138.90以下位置上加設摻氣等設施，或者采用特殊材料并嚴格控制溢洪道不平整度，以防止空化汽蝕發生。

4 結 語

借助于室內水工模型試驗，通過對溢洪道泄流能力、水流流態、泄槽沿程壓力分布及消能工型式等方面的分析，原布置方案主要存在以下問題：

a.側槽內底板高程過高，校核工況時，“L”形堰及“I”形堰方案槽首斷面的淹沒度均超出規范要求。

b.正堰來流量過大，側堰與正堰來流頂托作用過強致使調整段末端水面翻滾劇烈，流態紊亂。

c.泄槽段水流空化數普遍低于規范要求，泄槽表面易產生汽蝕破壞。

d.挑流消能時部分水舌砸落在下游河道的左岸岸坡，并沿山體爬高，容易影響附近山體穩定。

針對上述問題，經過文獻查詢和向相關專家咨詢，在溢流堰仍采用正堰與側堰相結合的“L”形堰布置形式。消能方式在采用挑流消能方式的基礎上，對側堰與正堰的布設、側槽深度及摻氣減飾等方面進行如下優化：

a.通過降低側槽底板高程，優化溢流堰布置型式和尺寸，降低側槽首端斷面淹沒度并改善側槽內水流流態。

b.通過增加調整段的長度或設置底坎等方式，優化調整段末端流態。

c.通過增加摻氣減蝕設施，解決泄槽段空化數過低問題。

d.為節約時間，優化試驗方案，首先采用Flow3D三維數值模擬軟件對溢流堰布置進行了多方案比較，通過數值模擬，比選出推薦方案，然后進一步通過物理模型進行驗證。