水庫放空問題二維數值模擬研究

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶，401120)

1 放空問題理論分析方法

水利水電工程中，為了滿足檢修、國防(如戰爭)或者緊急情況(例如地震)等要求，往往需要在水庫較低高程位置修建放空建筑物，如在重力壩或者拱壩壩身設置的放空底孔，在河岸開鑿的放水隧洞等。另外，水池放空、船閘充水及泄水等均需要計算放水及充水所需時間。

對于放空時間的確定，常通過如下方法進行估算(計算原理示意見圖1)：

圖1 放空過程計算示意

為方便計算，假定上游無來流，孔口做自由出流，則dt時段內從孔口流出的水流體積與同一時段內容器里面水體體積的減小量相等，即：

(1)

(2)

上式中，Q為孔口體積流率，A為容器橫截面面積，H為容器內水深，μ為孔口流量系數，b為孔口寬度，e為孔口高度，g為重力加速度，取9.81m/s2。

若孔口水頭從H1變化至H2，對(2)式進行積分得到放空所需時間為：

(3)

當孔口出流形式為堰流時，其泄流時間計算過程如下(式中m為孔口為堰流時的流量系數)：

(4)

(5)

若孔口水頭從H3變化至H4，對上式進行積分得到所需時間為：

(6)

對于本文所述的放空問題，由于出流孔口長度為零，所以當水頭變化至界限水位時，孔口出流流態將迅速由閘孔出流變為堰流。但是實際工程問題中的放空建筑物往往是具有一定長度的有壓孔口，此時將出現兩個界限水位，即上界限水位與下界限水位，此二水位之間有壓管內將表現為明滿流交替狀態，常規的計算方法也將不再適用。

另外，隨著水頭的降低，一些不利的水力現象也將可能出現，譬如前文提到的明滿交替流將對有壓管道的結構穩定造成不利影響，低水位情況常常出現的立軸漩渦也是一個需要重點關注的現象。……