魏春雯 楊芳芳

（河南省沁陽市水利局 沁陽 454550 河南岳海水利工程有限公司 鄭州 450016）

某溢洪道模型試驗(yàn)優(yōu)化研究

魏春雯 楊芳芳

（河南省沁陽市水利局 沁陽 454550 河南岳海水利工程有限公司 鄭州 450016）

某水利樞紐大壩為面板堆石壩，泄水建筑物為右岸溢洪道。按設(shè)計單位提供的溢洪道參數(shù)，進(jìn)行溢洪道模型試驗(yàn)。結(jié)果表明，水流經(jīng)挑坎形成的水舌擊打到河道右岸的山體上落入河道，危及壩體安全。因此，對溢洪道重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為設(shè)計提供指導(dǎo)，保證樞紐安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

溢洪道 模型試驗(yàn) 優(yōu)化設(shè)計 安全

1 工程概況

某水利工程等別為Ⅱ等，其主要建筑物有大壩、溢洪道、放水洞、副壩等組成，建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。水庫總庫容1.66×109m3，興利庫容1.1×109m3，生態(tài)基流為0.9m3/s，灌溉面積為14.56萬畝。

2 模型設(shè)計及制作

（1）模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型比尺為1∶30正態(tài)模型，各物理量的比尺如下：

長度比尺：λL=30

流速比尺：λV=λL0.5=5.48

流量比尺：λQ=λL2.5=4930

糙率比尺：λn=λL1/6=1.76

已知混凝土的糙率：n＝0.014，則模型糙率nm=n/λn= 0.0080，再由以往研究結(jié)果知道，有機(jī)玻璃制作的模型糙率n約為0.0079～0.0081，滿足糙率相似要求。

（2）用有機(jī)玻璃制作溢洪道模型，便于拆卸，易于優(yōu)化組裝，滿足試驗(yàn)要求。

（3）模型制作符合《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155 -2012）要求。

在模型制作過程中，對控制斷面和主要建筑物等進(jìn)行了精心制作、校正。溢洪道沿程布置測壓管，測量其壓力分布情況。

3 設(shè)計方案試驗(yàn)成果

溢洪道模型安裝完畢后，根據(jù)設(shè)計單位提供的工況表，選擇校核和正常兩個進(jìn)行了試驗(yàn)，以檢驗(yàn)設(shè)計方案的合理性及根據(jù)試驗(yàn)成果對設(shè)計方案提出合理性建議和修改，以使設(shè)計最終滿足要求。

溢洪道泄流能力試驗(yàn)結(jié)果如表1，溢洪道庫區(qū)水位～流量關(guān)系曲線見圖1，水位～流量系數(shù)關(guān)系見圖2，其中流量系數(shù)m的計算公式為：

式中：b為溢流堰進(jìn)口寬度，11m；H為堰頂水頭，H=ZH0（m），其中：Z為庫水位，H0為堰頂高程，416.5m。

試驗(yàn)可知，流量系數(shù)隨著庫區(qū)水位的增加而逐漸減小。在設(shè)計工況下，溢洪道的泄流能力900m3/s；在校核工況下，溢洪道的泄流能力約為1100m3/s。

試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計工況、校核工況下，在引水渠段，水流總體比較平穩(wěn)；在挑流鼻砍段，水流經(jīng)挑坎形成的水舌擊打到河道右岸的山體上落入河道。因此，溢洪道挑流鼻坎應(yīng)該進(jìn)行模型優(yōu)化設(shè)計。

4 模型優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化溢洪道體型，并且對優(yōu)化后的體型進(jìn)行了工況試驗(yàn)。試驗(yàn)工況見表2。

4.1 溢洪道泄流能力

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表3和圖3，隨著庫區(qū)水位的增加，流量系數(shù)略有所減小，基本可看作常數(shù)0.447。根據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，在設(shè)計工況，溢洪道的泄流能力約為880m3/s；在校核工況時，溢洪道的泄流能力約為1200m3/s，設(shè)計泄流能力為1000m3/s。溢洪道的實(shí)際泄流能力約比設(shè)計值大20%，超泄200m3/s，完全滿足設(shè)計要求。

4.2 水流流態(tài)

表1 水位～流量對應(yīng)關(guān)系表

圖1 溢洪道水位～流量關(guān)系曲線圖

圖2 水位～流量系數(shù)關(guān)系曲線圖

圖3 優(yōu)化后溢洪道水位～流量關(guān)系曲線圖

表2 模型試驗(yàn)優(yōu)化工況表

表3 溢洪道泄流能力試驗(yàn)結(jié)果表

圖4 優(yōu)化方案I，P=50%工況，下游岸邊流速圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，在表2中的三個工況，溢洪道各部位流態(tài)較好。溢洪道實(shí)際泄流量最大的校核工況和泄流量最小的P=5%工況，這兩個工況下溢洪道沿程無不良流態(tài)出現(xiàn)，溢洪道出口挑坎在200m3/s時仍能順利起挑（兩年一遇洪水，泄流量約為370m3/s），此時對應(yīng)的閘門開度約為1.65m，但由于此時泄洪放空洞全開，因此下游水位較高，溢洪道水舌進(jìn)入了下游河道的水體內(nèi)，其他小洪水工況，由于泄洪放空洞關(guān)閉，下游水位較低，根據(jù)兩年一遇洪水時的水舌情況，建議實(shí)際運(yùn)行時溢洪道閘門最小開度3m，可采用分時段開啟的方式泄洪。

4.3 水深及流速

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，溢洪道沿程水深在堰頂最大，校核工況時約為7.8m，沿程逐漸減小，在挑坎的反弧底部達(dá)到最小，因挑坎出口高程的增加，流速減小，水深略有所增加。

對于具體工況，根據(jù)泄流量，可算得閘門處的斷面平均流速，采用能量方程，可算得溢洪道沿程的流速分布，表4為各工況下計算的沿程流速。根據(jù)計算結(jié)果，溢洪道沿程的最大流速約為35m/s，出現(xiàn)在反弧段底部。各工況下溢洪道流速在樁號280m（高程約為365m）以后大于30m/s，易發(fā)生空化空蝕。

將測試結(jié)果繪制流速矢量圖如圖4。

表4 同工況溢洪道沿程流速表

5 結(jié)論

由試驗(yàn)可得：經(jīng)優(yōu)化后的溢洪道泄流時，從溢洪道出流的水舌進(jìn)入了下游河道，流態(tài)滿足了設(shè)計要求。工況1最大流速4.98m/s，工況2最大流速5.03m/s，工況3最大流速6.01m/s。

總體試驗(yàn)結(jié)果表明，下游河道岸邊流速不大，與天然河道洪水期流速基本相當(dāng)，優(yōu)化后的模型滿足要求，為設(shè)計提供指導(dǎo)，為樞紐安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證■