陸 素 潔， 張 萍

(華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014)

1 概 述

岸邊式泄水建筑物多用于土石壩水利樞紐中，在多種型式的岸邊式溢洪道中，開敞式溢洪道以其具有較大的超泄能力、檢修方便、地形適應性好等特點被廣泛應用。該布置型式，通常在控制段后面使用過渡段，以便將堰體與窄深的泄槽平順地連接起來，過渡段呈平面縮窄式，邊墻隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，泄槽中水流受邊墻偏轉(zhuǎn)的影響，極易形成沖擊波。

在傳統(tǒng)的設計方法中，一般合理控制收縮段的長度及角度，使引起沖擊波的高度最小，并盡量減少或消除收縮段以下泄槽中水流的擾動。在地形條件有限，或為減小工程量，收縮段長度無法滿足傳統(tǒng)要求時，如何消除沖擊波是類似溢洪道設計中常見的難題。以下將通過某電站溢洪道模型試驗成果，研究改善收縮段水流流態(tài)的措施。

2 某電站溢洪道設計與優(yōu)化

2.1 原溢洪道設計方案

某電站泄水建筑物采用岸邊開敞式正槽溢洪道，自由溢流，布置于右岸壩頭，全長約273 m。溢洪道由溢流堰、調(diào)整段、陡槽段和挑流鼻坎等結(jié)構(gòu)組成。為減少開挖及混凝土工程量，同時又滿足溢洪道泄流能力要求，溢流堰寬度設為30 m，堰后通過40 m長調(diào)整段進行平面收縮，將過水斷面寬度由控制段30m收縮至泄槽段10 m。泄槽段采用矩形斷面，槽底縱坡1∶1.88，槽底板厚80 cm。出口采用挑流消能型式。溢洪道平面及剖面示意圖見圖1。

圖1 溢洪道平面及剖面布置簡圖

2.2 模型設計

模型按重力相似準則設計。根據(jù)試驗要求，采用模型比尺λL=45，相應

水深比尺λH=40

流速比尺λV=400.5=6.32

流量比尺λQ=402.5=10 119.29

壓強比尺λp/γ=40

糙率比尺 λn=401/6=1.849

溢洪道及泄洪洞等泄水建筑物模型全部用有機玻璃制作，尺寸誤差小于0.3 mm，安裝高程誤差小于0.3 mm。有機玻璃糙率為0.0075左右，相當于原型0.014左右。庫區(qū)模擬范圍至壩軸線上游約700 m處，溢洪道下游河道模擬長度約450 m。

試驗工況見表1。

2.3 原溢洪道調(diào)整段模型試驗成果

在各種試驗工況下，溢洪道進口前來流平順，過堰水流為自由堰流，受調(diào)整段平面收縮的影響，水流在調(diào)整段內(nèi)形成沖擊波。圖2為P=1%時，溢流堰內(nèi)的水流流態(tài)。

表1 試驗工況

圖2 調(diào)整段水流流態(tài)(P=1%)

沖擊波處過水斷面上的流速和壓力分布不均勻，并派生脈動，有可能損壞地板襯砌，因此，有必要在結(jié)構(gòu)設計上進行優(yōu)化，消除沖擊波，使水流平順進入泄槽。

2.4 溢洪道調(diào)整段設計方案優(yōu)化

為優(yōu)化調(diào)整段內(nèi)的水流流態(tài)，應優(yōu)化調(diào)整段設計，以下介紹兩種優(yōu)化方案：

方案一：采用傳統(tǒng)方法加長調(diào)整段，減小邊墻偏轉(zhuǎn)角θ；

方案二：調(diào)整段末端設混凝土坎，使溢流堰與泄槽間形成一定長度的“消力池”結(jié)構(gòu)，對進入泄槽前的水流起調(diào)節(jié)作用。

(1)方案一

為確定收縮調(diào)整段的長度，可通過以下簡化公式試算求得邊墻偏轉(zhuǎn)角θ：

sin(β-θ)=1/Fr1

式中符號意義如圖3所示。

通過上式試算求得，P=0.05%工況下，邊墻偏轉(zhuǎn)角θ=8°。由此可知，收縮段長度L=71 m。

(2)方案二

為優(yōu)化調(diào)整段內(nèi)的水流流態(tài)，擬在調(diào)整段末端設混凝土坎，混凝土坎上游面為圓弧倒角，使水流平順進入下游泄槽。消力池長度及消力坎高度根據(jù)水力計算確定，保證過堰水流為自由堰流，且在消力池內(nèi)形成淹沒水躍。消力池長度與消力坎坎高計算采用如下公式：

圖3

圖4

為了使消力池內(nèi)產(chǎn)生淹沒度不大的水躍，坎前水深hT應為：

hT=c+H1

式中c為坎高；H1為坎頂水頭。

聯(lián)解上面兩式，可得到計算坎高為：

消力池池長取池內(nèi)水躍躍長的0.8倍，池內(nèi)水躍躍長Lj按下式計算：

Lj=10.8hc(Frc-1)0.93

應計算所有工況下的池內(nèi)水躍躍長，取其中的最大值來計算消力池池長。

由上式計算取調(diào)整段L=40 m，坎高C=2.0 m。

(3)優(yōu)化后的溢洪道設計方案

經(jīng)以上兩種方法計算可知，方案二的調(diào)整段長度較方案二明顯縮短，具有明顯優(yōu)勢，擬選用方案二作為消除溢洪道調(diào)整段沖擊波的優(yōu)化方案。

調(diào)整段寬度由30 m過渡至10 m，過渡段長40 m。消力池調(diào)整段末端設2 m高的消力坎，其上游面設R=50 cm的圓弧倒角，坎頂寬約0.84 m。調(diào)整段底板高程為246.52 m，底板厚0.8 m，通過錨筋與基巖錨固。

圖5 優(yōu)化后溢洪道調(diào)整段結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 優(yōu)化后溢洪道模型試驗成果

在各種試驗工況下，溢洪道進口前來流平順，過堰水流為自由堰流，在消力池內(nèi)形成淹沒水躍，在P=1%和P=0.05%工況下，實測消力池內(nèi)最大水深分別為8.92 m和6.16 m，出池水流至泄槽內(nèi)，水面線平順，未發(fā)現(xiàn)明顯的跌落現(xiàn)象，見圖6和圖7。

圖6 優(yōu)化后調(diào)整段水流流態(tài)(P=1%)

3 結(jié) 語

圖7 溢洪道進口水流流態(tài)(P=0.05%)

該電站溢洪道在模型試驗基礎上，進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整，調(diào)整所取得的有益效果是：

(1)溢洪道進口前來流平順，過堰水流為自由堰流，在消力池內(nèi)形成淹沒水躍，有效消除了堰后沖擊波對底板、邊墻等結(jié)構(gòu)造成的不利影響。

(2)消力池末端至泄槽連接段，水面線平順，泄槽水面波動現(xiàn)象消除。

(3)加大了調(diào)整段收縮角，有效縮短調(diào)整段長度，減少了開挖及混凝土工程量，節(jié)約投資。

(4)施工十分簡單、方便，與底板整體澆筑，運行安全可靠。為類似溢洪道工程的設計提供了消除水流沖擊波的有效措施和經(jīng)驗借鑒。

參考文獻：

[1] 石教豪.孟仲華.田士豪.雷川華 沖擊波機理在邊墻設計中的應用[J] 中國農(nóng)村水利水電，2006(7) 64-66;

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