劉桂杰

(遼寧水利職業(yè)學(xué)院，沈陽 110122)

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龍屯水庫陡槽彎道溢洪道水流特性模型試驗研究

劉桂杰

(遼寧水利職業(yè)學(xué)院，沈陽 110122)

隨著水利工程建設(shè)的迅猛發(fā)展，溢洪道工程逐漸成為設(shè)計和施工中的重點(diǎn)工程并逐漸成為防洪設(shè)計中的重中之重。但是隨著大壩高度和廣度的不斷提高，陡槽彎道溢洪道對于節(jié)省工程空間和體量、提高防洪蓄水等能力方面應(yīng)用越來越廣泛。文章基于葫蘆島市龍屯水庫溢洪道設(shè)計和施工工程為背景，根據(jù)現(xiàn)場工程實際情況進(jìn)行制定模型試驗方案，確定模型比尺和試驗材料，根據(jù)模型試驗過程研究分析了水流流態(tài)特征，選取斷面0+230-0+330彎道段橫向水面線進(jìn)行研究，對一級、二級消力池下游接陡槽段水流特性進(jìn)行了分析，通過試驗發(fā)現(xiàn)：彎道凸岸處水面容易產(chǎn)生順時針回流，形成豎向漩滾，沖刷現(xiàn)象較為嚴(yán)重，特別是在水流在右岸邊墻形成縱向漩滾現(xiàn)象嚴(yán)重，出口斷面處水深、單寬流量沿橫向分布不平均，最容易產(chǎn)生壩體破壞。研究成果能夠為堤壩的防洪加固提供理論借鑒和技術(shù)指導(dǎo)。

陡槽彎道；溢洪道；水流特性；消能；模擬試驗

0 前 言

21世紀(jì)，我國迎來了水利工程基礎(chǔ)建設(shè)的高峰期，高壩、高水頭、大流量的巨型水電工程正處在緊張的建設(shè)之中。但是由于大型水利工程大多修建在地質(zhì)條件復(fù)雜、河谷狹窄、泄洪流量大的地區(qū)，泄洪建筑物的設(shè)計施工和消能防沖等問題逐漸成為基礎(chǔ)工程建設(shè)亟需解決的關(guān)鍵問題[1]。

洪道作為泄水建筑物中的一種在水利建設(shè)工程中逐漸得到廣泛的應(yīng)用。蘇武艷根據(jù)主壩泄洪防沖要求，通過進(jìn)行模擬試驗驗證了溢洪道挑射水流對下游山體突出壩體的影響規(guī)律，為減輕挑射水流對下游消能區(qū)左岸與壩址的影響及為消能區(qū)除險加固優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐和試驗支持；James Yang，Karin Hellstadius，Malte Cederstrm基于Stenkullafor 水庫大壩防洪要求，通過設(shè)計多級水閘控制敞開式溢洪道，優(yōu)化了溢洪道頂部輪廓，降低了溢洪道頂部工程加固改造和興建新閘門的工程成本，并提出了壩體加固、侵蝕防護(hù)、下游消能及下游行洪渠道等工程措施；楊磊針對彎道存在超高與沖擊波等問題，通過模型試驗對閣壁水庫雙彎曲溢洪道的左側(cè)回流、彎道沖擊波等嚴(yán)重問題進(jìn)行了驗證分析，提出了在一級陡槽末端設(shè)置折流坎及其流墩的設(shè)計方案，滿足了泄洪消能防護(hù)的要求；高學(xué)平，井書光，賈來飛采用RNGk-ε-紊流模型封閉雷諾方程，利用 VOF法追蹤自由表面，通過三維數(shù)值模擬對某水庫溢洪道彎道水流進(jìn)行模擬研究，確定了彎道水流水面調(diào)整的影響因素；此外段玫，袁曉繼，殷坤龍等對水利工程泄洪道設(shè)計和建設(shè)進(jìn)行了深入的研究，并取得了豐碩的研究成果[2-8]。

但是，目前為止對彎曲溢洪道的研究相對較少，消能方面消能池等的研究也主要是集中在理論方面，對于現(xiàn)場的水利流態(tài)特性、水力特性的研究等研究不多，并且多采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行計算，缺少一定的準(zhǔn)確性和動態(tài)性。因此，通過模型試驗方法深入開展水庫陡槽彎道溢洪道水流特性等的研究對于水利工程防洪設(shè)計和施工建設(shè)等十分必要。

1 工程概況

葫蘆島市龍屯水庫為六股河支流王寶河中游大(2)型水庫，位于葫蘆島市綏中縣高甸子鄉(xiāng)境內(nèi)，距離綏中縣城25km，水庫庫容1.15×108m3。大壩主體為黏土斜墻式砂殼壩，壩址所控制流域面積達(dá)到214km2，水庫功能主要以防洪、灌溉為主?？紤]到龍屯水庫下游鐵路、高速公路和八三管道、軍用機(jī)場的重要性，確定水庫永久性建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)仍為100a一遇洪水設(shè)計、采用上限5000a一遇洪水作為水庫的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)。

龍屯水庫經(jīng)過30多年的運(yùn)行，對原設(shè)計和施工中存在問題的大部分已進(jìn)行了加固處理，水庫主體工程運(yùn)行狀況良好。但是，在建設(shè)初期泄洪道泄槽及其下游地段建設(shè)不配套，局部出現(xiàn)安全隱患并尚未解決，一旦出現(xiàn)較大泄流極易引發(fā)山體滑坡、溢洪道阻塞，甚至是壩毀人亡等重大傷亡事故。此外，由于泄洪道內(nèi)水流直接流入尾渠，對下游河道及其岸坡等造成嚴(yán)重的沖刷，因此，為及時掌握和改善水流條件和泄洪時對下游的沖刷程度，開展泄洪道模型試驗對水流流態(tài)進(jìn)行研究。

2 陡槽彎道模型試驗方案

2.1 模型原理

通過N-S方程進(jìn)行研究的流體運(yùn)動，則必須滿足：佛浸透數(shù)=歐拉數(shù)=雷諾數(shù)=斯特羅哈數(shù)。為滿足工程需要，需要滿足假設(shè)：①問題主要作用力相似；②忽略次要作用的影響力[9]。為保證動力相似模型滿足使用條件，必須做到幾何相似、邊界條件相似，水流采用阻力平方區(qū)紊流方式，并采用重力相似準(zhǔn)則相似比尺進(jìn)行換算得到模型試驗的原型[10]。

λu=λl0.5，λQ=λt2.5，

λt=λl0.5，λn=λl1/6，λp=λρλl

(1)

式中：λl為長度比尺；λu為速度比尺；λQ為流量比尺；λt為時間比尺；λn為糙率比尺；λp為壓力比尺。

2.2 模型比尺選擇

對于含有陡槽彎道的溢洪道，對相關(guān)參數(shù)的要求相對較高，因此，在充分考慮室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ蛨龅氐纫蛩氐挠绊懴?，選擇室內(nèi)模型大比尺進(jìn)行模型試驗，采用1∶50的正態(tài)模型進(jìn)行試驗研究[11]。具體的模型試驗比尺如表1所示。根據(jù)溢洪道模型選擇有機(jī)玻璃按照比尺為1∶50制作物理模型，模型糙率nm=np/λn=0.0073，有機(jī)玻璃糙率nm=np/λn=0.007-0.009 ，滿足模型試驗相似比要求。其模型尺寸如表2所示。

表1 模型試驗比尺

表2 模型尺寸

根據(jù)表2所選模型比尺對該水庫的陡槽溢洪道進(jìn)行模型試驗，模型試驗設(shè)備包括四部分，即：水流循環(huán)系統(tǒng)、監(jiān)控量測系統(tǒng)、水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其他輔助型設(shè)施。試驗過程中的水量取自于水泵抽取的地下水，流量大小則采用薄壁堰進(jìn)行控制，通過穩(wěn)流池→試驗段→退水池→量水堰后流回地下水庫。其模型布置如圖1所示。

圖1 彎道陡槽溢洪道模型布置圖

3 水流流態(tài)特征

根據(jù)水庫工程概況可知，陡槽彎道采用大底坡、小半徑建設(shè)型式，水流在流經(jīng)彎道過程中，在離心力作用下導(dǎo)致水流的自由水面出現(xiàn)失衡狀態(tài)，并發(fā)生復(fù)雜的變化，破壞原有的水面平衡。圖2-圖5給出無多孔消能板時陡槽溢洪道的水流流態(tài)特征。圖6為彎道段橫向水面線圖。

圖2 彎道段流態(tài)特征圖

圖3 一級消力池流態(tài)特征圖

圖4 陡槽溢洪道水流流態(tài)特征

圖5 二級消力池水流流態(tài)特征

通過分析圖2可知：對于樁號0+250-0+332.5(彎道里程)，水流流經(jīng)彎道時，由于重力和離心慣性力等的共同作用，作用力主要集中在彎道的凹岸側(cè)，縱、橫向產(chǎn)生水流深度的變化，此時H凹岸水面>H凸岸水面，水面出現(xiàn)扭曲狀態(tài)，見圖6樁號0+250所示。此時，在彎道段下游布置一級消力池，在急流狀態(tài)下逐漸出現(xiàn)水躍狀態(tài)，即為淹沒式水躍。在下游消力池水流頂托作用的影響下，淹沒水躍逐漸向上游移動，斷面0+280即為躍前斷面。在彎道作用下，斷面0+310-0+330凸岸出現(xiàn)順時針方向的水流回流，產(chǎn)生豎向的漩滾。

在上游彎道的影響下，如圖3所示，消力池內(nèi)出現(xiàn)水流的不對稱入流。池內(nèi)主流偏向左岸，并在其末端流向右岸，因此，易產(chǎn)生豎向的漩滾，并導(dǎo)致左岸部分出現(xiàn)涌浪，涌出邊墻部分。在此過程中，H左側(cè)水面>H右側(cè)，水流會向上竄升。此外，在消力坎阻擋作用下，一部分水流沿著消力池底板流動，在右岸邊墻阻擋的作用下，形成縱向的漩滾。

通過圖4可知，上游彎曲段水流在經(jīng)過一級消力池下游接陡槽段時，在上游彎曲段折沖水流的影響下，產(chǎn)生的菱形沖擊波使得水流明顯發(fā)生折沖現(xiàn)象，陡槽溢洪道末端主流仍偏于左岸，使下游二級消力池呈不對稱入流，如圖6彎道斷面0+270-0+330所示。

通過圖5可知，一級消力池末端水流在陡槽溢洪道的折沖作用下逐漸偏向左岸，導(dǎo)致下游的二級消力池水流發(fā)生不對稱入流現(xiàn)象。消力池內(nèi)產(chǎn)生淹沒水躍，其表面漩滾距離左岸較近，斷面為樁號0+610處。左岸附近的下泄主流在頂托、消力坎阻擋作用下，自左向右產(chǎn)生豎向的漩滾。此時，位于消力池地板位置處的水流，在與邊墻產(chǎn)生碰撞之后，沿豎向產(chǎn)生反向流動，導(dǎo)致右岸邊產(chǎn)生縱向的漩滾。水流流經(jīng)消力池末端位置時，主流仍偏于左岸，產(chǎn)生的出口斷面處的水面深度大、水流量橫向分布不均，出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，對下游的沖刷破壞現(xiàn)象明顯。

圖6 彎道段橫向水面線圖

綜上所述，龍屯水庫下游不對稱入流導(dǎo)致沖刷破壞研究，特別是在水流在右岸邊墻形成縱向漩滾現(xiàn)象嚴(yán)重，出口斷面處水深、單寬流量沿橫向分布不平均，極易造成下游沖刷造成壩體破壞。

4 結(jié) 語

陡槽彎道溢洪道是泄洪道工程建設(shè)中的一種重要形式，更是為節(jié)省工程空間和體量、提高防洪蓄水等能力進(jìn)行的新設(shè)計。文章基于葫蘆島市龍屯水庫溢洪道設(shè)計和施工工程為背景，通過確定模型比尺和試驗材料進(jìn)行模型試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析了水流流態(tài)特征，布置監(jiān)測點(diǎn)對斷面0+230-0+330彎道段橫向水面線進(jìn)行了監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對一級、二級消力池下游接陡槽段水流特性進(jìn)行了分析，為水利工程防洪加固提供借鑒。但是，值得注意的是，隨著社會技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，在水利工程溢洪道消能方面的研究和利用越來越高，仍需要在該方面進(jìn)行更進(jìn)一步的探索。

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1007-7596(2017)05-0058-04

2017-04-22

劉桂杰(1970-)，女，遼寧沈陽人，工程師，研究方向為水利工程施工、工程質(zhì)量檢測及分析等。

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