周曉林

（遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧沈陽 110003）

1 工程概述

湯河水庫位于湯陰縣西南約7 km，壩址位于遼寧省遼陽市湯河鎮(zhèn)，是遼陽市、鞍山市這兩大城市居民飲用水的主要供水處，總庫容為5 615萬m3。1958年開始修建，1969年再進(jìn)行續(xù)建，1978年進(jìn)行加固改造施工安全，于1985年初工程完工。湯河水庫主要用于防汛抗洪、遼陽、鞍山兩大城市的飲用水供應(yīng)，此外還用于下游大片農(nóng)村的稻田灌溉、水產(chǎn)魚業(yè)的發(fā)展、發(fā)電等多方面利用。湯河水庫屬于大（2）型水庫，為Ⅱ等工程，永久建筑物級(jí)別為2級(jí)，其附屬工程建筑物級(jí)別為3級(jí)。

2 彎道段設(shè)計(jì)存在的問題

湯河水庫溢洪道為陡槽式，其軸線彎曲，在現(xiàn)實(shí)工程中彎道溢洪道會(huì)出現(xiàn)許多情況。當(dāng)水庫運(yùn)行出庫流量很大并急流出現(xiàn)時(shí)，彎道被水流通過時(shí)，因?yàn)橐绾榈肋厜Φ钠D(zhuǎn)改變，導(dǎo)致水流生成強(qiáng)大的沖擊波，在凹岸和凸岸出現(xiàn)水面不平。對(duì)整個(gè)彎道段內(nèi)進(jìn)行了分析，其傾斜從方向和程度上有較大的不同，越大的流量，導(dǎo)致水面傾斜越厲害。彎道進(jìn)、出口水面傾斜的方向、程度也有所不同。根據(jù)水流在整個(gè)彎道內(nèi)，順縱、橫兩方向水面傾斜的方向和程度兩大因素的不斷改變，導(dǎo)致彎道中水面發(fā)生扭曲變化。整個(gè)橫斷面上的流速分布各不一致，在圓弧外法線方向的基本趨勢(shì)是，凸、凹兩岸流速各有大小，在垂向上，底流速小于表流速，兩者差距極大，尤其是在水流通過有彎道前面接有陡坡段的溢洪道時(shí)，其特點(diǎn)是能量集中、單寬流量大、流速高，在彎道內(nèi)形成猛烈的沖擊波，整個(gè)水流的流態(tài)在溢洪道內(nèi)更加惡劣，下游消能增加難度。

彎道的急流沖擊波對(duì)彎道水流、下游陡槽與消力池的流態(tài)都造成了重大影響，所以要想改變下游流態(tài)，提升消力池的消能效率，一定要解決好彎道急流沖擊波，只有通過一系列模型試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，才會(huì)避免在流量大的時(shí)候造成漫頂現(xiàn)象。

3 為解決問題可采取的措施

為了減少彎道水流引起水面的增加，改變泄槽內(nèi)橫斷面上的水流分布不均勻，以減小沖擊波對(duì)水流的擾動(dòng)作用，采取工程措施：

1）曲線道一般采用圓弧曲線，曲線軸的半徑不小于槽寬的10倍。

2）彎曲之前和之后的線，盡可能地彎緩。

3）在槽段的底部設(shè)置凹槽的橫坡，即凹槽的底部和凸槽的底部降低形成橫坡。這種方法施工難度大，工作量大。

4）綜合曲線法是一種降低波浪沖擊曲線射流的理想方法，考慮到復(fù)雜曲線法中存在一些技術(shù)難點(diǎn)，主要是輔助曲線選擇、布局、施工難度大，建立了圓弧曲線模型，進(jìn)一步利用現(xiàn)有溢洪道沖擊模型衰減試驗(yàn)，并沒有采用這種方法來降低激波。

5）渠底超高法，此種方法只能適應(yīng)1種水深和流量的需求，當(dāng)流量發(fā)生變化，流態(tài)不理想，也會(huì)使溢洪道底板受到磨損，且工程量很大，所以不采用這種方法減少?zèng)_擊波。

6）導(dǎo)墻流的方法可以減少彎曲部分,實(shí)際項(xiàng)目研究的溢洪道底寬25.5 m,使用這種方法來減少?zèng)_擊波不會(huì)影響溢洪道的泄流能力,施工現(xiàn)場不受限制,所以考慮使用此方法。

因此，建議采用彎壁法減少彎道的沖擊波。該方法不僅可以減少?zèng)_擊波的沖擊，而且布置簡單、組合靈活和施工簡單。根據(jù)實(shí)際情況，弧形導(dǎo)壁的尺寸為圓弧，弧長為2 348 mm，弧度為32°，半徑為2.1 m。

4 課題研究內(nèi)容及方法

本文基于湯河水庫溢洪道擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)方案，根據(jù)工程設(shè)計(jì)單位提供的基本信息，建立水力模型和實(shí)測數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室中，利用數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)工具軟件編程、圖形分析方法研究。通過水工模型試驗(yàn)，對(duì)泄槽溢洪道水力特性和河流彎曲的形狀和導(dǎo)流墻水力特性優(yōu)化，使方案能充分滿足交通安全和能量耗散，最終實(shí)現(xiàn)工程的穩(wěn)定性。對(duì)溢洪道設(shè)計(jì)斷面的水流狀態(tài)、流速分布和壓力分布進(jìn)行研究，最后，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和比較，研究水位、流速、壓力和表面的無壁狀態(tài)，決定方案的可行性。

5 模型試驗(yàn)與結(jié)果分析

在溢洪道中調(diào)整彎道的水流是一種新型的工程措施，轉(zhuǎn)彎半徑小，特別是在拐角處采用傳統(tǒng)的槽底設(shè)置橫向坡需要彎曲凸側(cè)邊坡，開挖量較大，即使在曲線凹側(cè)也更適合使用這種方法。

5.1 模型試驗(yàn)方案

5.1.1 相似準(zhǔn)則的確定

實(shí)驗(yàn)由水力模型進(jìn)行，根據(jù)水流隨時(shí)間的變化，可分為非恒定流和恒定流兩類穩(wěn)定流動(dòng)，根據(jù)自由表面和大氣接觸壓力流劃分為明流和有壓流兩類。本文對(duì)溢洪道建筑物的水流進(jìn)行了研究，使水流狀態(tài)為明渠恒定非均勻流。

根據(jù)主相似原理，依據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)溢洪道水力相似模型，滿足湍流阻力相似要求。根據(jù)工程對(duì)象和測試任務(wù)的要求，采用正態(tài)模型。

5.1.2 模型試驗(yàn)方案

根據(jù)溢洪道在運(yùn)行中的實(shí)際情況，選取設(shè)計(jì)洪水頻率（P=1%）、校核洪水頻率（P=0.1%）與消能防沖設(shè)施設(shè)計(jì)洪水頻率（P=2%）3種工況下流量，它們分別為Qp1=1 171 m3/s，Qp2=1 304 m3/s，Qp3=1 771 m3/s，分3個(gè)方案進(jìn)行。通過反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)溢洪道斷面的壓力分布、流速分布、水流狀態(tài)和水面線進(jìn)行了詳細(xì)的研究。試驗(yàn)運(yùn)行工況相關(guān)特征數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)運(yùn)行各工況參數(shù)

5.1.3 整體布置

模型試驗(yàn)裝置由水循環(huán)系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、水泵房和地下水庫及輔助設(shè)備組成。

模型設(shè)計(jì)主要依據(jù)湯河水庫縱剖面圖、平面布置圖和消力池示意圖。包括閘室總長度超過500 m，考慮到現(xiàn)場情況和溢洪道的實(shí)際情況(相同的閘室，對(duì)稱排列)，沿堰閘門的兩個(gè)側(cè)向，完全開放。

模型模擬從溢洪道入口到下游，每個(gè)模型的大小按長度尺度轉(zhuǎn)換。此外，為了使模型的流程平穩(wěn)，增加一個(gè)穩(wěn)定流動(dòng)池（長1.5 m、寬4 m、高1.6 m），與實(shí)驗(yàn)室供水首部相連，連接段進(jìn)口加設(shè)了曲面進(jìn)口。

溢洪道下游河道都是用來衡量在DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)水位變化。流速測量采用DJ800多功能監(jiān)測系統(tǒng)和畢托管聯(lián)合監(jiān)測監(jiān)控的特征斷面的流速分布，與對(duì)照池和渠道流由高尺寸像素的攝像頭監(jiān)控。

所有的測量設(shè)備都與水利工程試驗(yàn)程序規(guī)定（常規(guī)）模型，并DJ800數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由制造商和其他儀器檢查。

5.2 有無導(dǎo)流墻試驗(yàn)成果對(duì)比

5.2.1 水位面形態(tài)對(duì)比

底坡為0.09，斷面樁數(shù)為0±170～0±288，河灣圓弧半徑為210 m，圓心角圓弧為32°。沒有導(dǎo)水壁的表面形式：流動(dòng)條件的特征、流型在彎曲時(shí)的共同特征、水流進(jìn)射流到圓弧曲線、彎曲截面、產(chǎn)生沖擊波；離心力和重力的共同作用，在0+199.5(M)段，水的內(nèi)側(cè)壁的外壁開始上升，水開始逐漸下降，流的流量越大，水的傾斜度越大；由于水表面的方向和傾斜度沿縱向和橫向方向變化，在整個(gè)曲線上不斷變化，曲線上的水面扭曲，理論上存在很大的差距。0節(jié)+258.5（Q）和水的側(cè)壁上升到最高，形成第一個(gè)沖擊波，樁號(hào)0+229—0+258.5，水面線先降低側(cè)壁，然后又開始上升，直到0+258.5附近，第二峰值，然后開始下降，直到彎道結(jié)束，基本恢復(fù)到正常的深度；內(nèi)側(cè)墻水面在樁號(hào)0+199.5處上升到最高，之后逐漸下降，內(nèi)側(cè)墻水面逐漸降低,水面慢慢表現(xiàn)出傾斜狀態(tài)，彎道末端斷面0+288降至最低，幾乎干底現(xiàn)象出現(xiàn)。總的來說，曲線上的水的深度沿縱向（流向）變化，有、無導(dǎo)流墻彎道段縱向及橫向水深分布見表2。斷水面上發(fā)生傾斜狀態(tài)，從進(jìn)出口的整個(gè)過程水面發(fā)生扭曲變化。在相同的流量下，從進(jìn)口到出口的所有部分都傾向于水，但傾斜的程度不一樣。在彎道中間的主法線方向上，凹、凸岸間水面傾斜符合一般規(guī)律，即凹岸水面高而凸岸水面低，有明顯的水面傾斜。試驗(yàn)中觀察到在各流量下，彎道凹岸水位形成兩次波峰，不同流量下的各斷面的凹、凸岸水位差，見表3。當(dāng)流量Q=1 304 m3/s時(shí)，在斷面0+258.5()q凹岸出現(xiàn)最大水位值7.73 m，凹、凸岸水位出現(xiàn)最大差值，△h=6.83m。

以上出現(xiàn)流態(tài)原因：受重力和離心力的影響因素外，另外一個(gè)因素是受彎曲端壁流擾動(dòng)而引起的沖擊波，此種沖擊波在自由表面上生成菱形交叉，使水面發(fā)生了非常復(fù)雜的變化；沖擊波使溢洪道表面的流動(dòng)模式發(fā)生了變化，在兩岸附近形成急流沖擊波的周期性變化，彎道段左、右（凸、凹）岸出現(xiàn)較大的水位差。在彎道水流流態(tài)的觀測和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可以知道原設(shè)計(jì)的溢洪道壁能夠滿足泄洪彎道的要求，但在溢洪道水流流態(tài)較差時(shí)，存在一個(gè)彎道急流沖擊波。彎道急流除了水面變形和產(chǎn)生螺旋流外，還具有沖擊波震蕩，使水面劇烈波動(dòng)。

加導(dǎo)流墻后，左岸右岸水位幾乎相同，沖擊波很不清晰，波動(dòng)很小。水面上下起伏也不明顯。特別是改善了下游的流動(dòng)狀態(tài)，增加了消力池的消力效率。

表2 有無導(dǎo)流墻彎道段縱向及橫向水深分布m

表3 有無導(dǎo)流墻彎道斷面水位差m

5.2.2 流速對(duì)比

由湯河水庫泄洪道無導(dǎo)流墻彎道流動(dòng)速度分布數(shù)據(jù)可以看出：沿縱向速度的曲線一般隨急流而增大；彎道流速的分布和變化復(fù)雜，沿流的縱向、橫向和垂向分布在彎道中出現(xiàn)是不一樣變化，受邊界約束和離心力，方向同時(shí)改變；因?yàn)閺澋纼?nèi)水面發(fā)生改變，出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，流動(dòng)速度在整個(gè)橫斷面上的大小分布也不一致，在彎道圓弧外法線方向的基本情況是，凸側(cè)岸流動(dòng)速度大，最大值出現(xiàn)在0+288斷面，而凹側(cè)岸流速小，與理論大概相同；在垂直方向上，表速度比底部速度大，底速度和表速度之間的差異有時(shí)可以超過兩倍。

綜合所述，彎道水流流動(dòng)狀態(tài)嚴(yán)重，發(fā)生急流沖擊波現(xiàn)象，導(dǎo)致水面發(fā)生變化，彎道2次波峰現(xiàn)象出現(xiàn)，凹、凸岸水位出現(xiàn)最大差值,整個(gè)水面波動(dòng)劇烈；彎道流速縱向、橫向、垂向分布復(fù)雜多變，總體上左岸流動(dòng)速度大，右岸流動(dòng)速度小，表流速大于底流速，彎道內(nèi)最大流動(dòng)速度出現(xiàn)在彎道末端（0+288斷面）。

表4 有無導(dǎo)流墻彎道流速分布m/s

5.2.3 其他影響

1）對(duì)下游陡槽段影響彎道后接一段直陡槽,彎道中水流的流態(tài)對(duì)此段陡槽有直接的影響。比較如下：無導(dǎo)流墻，水流進(jìn)入陡槽后，水位波動(dòng)較大，不規(guī)則波動(dòng)，右岸出現(xiàn)向下趨勢(shì)，左岸水位慢慢上升，在0+328（Sd）位置出現(xiàn)回水，向后延伸；總的來說，出現(xiàn)兩股水流，在0+328（SD）附近，行成涌浪。

有導(dǎo)流墻，水面波動(dòng)很小，水位波動(dòng)頻繁。右岸開始增加，在0+328的位置開始下降。左岸先降，0+328上升，從而達(dá)到兩岸水位相同，進(jìn)入消力池。大大降低了其復(fù)雜性，沒有出現(xiàn)折沖、涌浪。

2）在消力池導(dǎo)流墻的影響不僅可以優(yōu)化彎道，陡槽段的流量形態(tài)，也間接影響消力池，添加導(dǎo)流墻由于水流水位沒有跌宕起伏，非常平穩(wěn)，大大降低了消力池的工作量，提高工作效率，在導(dǎo)流池內(nèi)水流平靜穩(wěn)定很多。

3）于側(cè)壁、彎槽、水位等因素對(duì)側(cè)墻的影響較大，減小了水面波動(dòng)。因此，左右岸壁可以設(shè)計(jì)成同樣的高度，而路徑不需要很大的起伏。另外，當(dāng)沒有分流墻時(shí)，水流集中在右岸，對(duì)右岸造成很大的壓力，因此需要高強(qiáng)度的加固。在添加回流墻后，各壁的壓力分布均勻，可以達(dá)到相同的加固量。

6 總語

通過一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)曲線段設(shè)置導(dǎo)墻進(jìn)行了比較，把排水管分成內(nèi)、外兩個(gè)槽。溢洪道泄流，在角進(jìn)口導(dǎo)流墻內(nèi)，將基本槽均勻地流到內(nèi)外兩槽之間，特別是當(dāng)流速、水不溢出槽導(dǎo)墻時(shí)，兩槽流相互影響。由于彎曲的影響，內(nèi)部和外部兩個(gè)凹槽里的水仍有凹凸不平的凹槽。然而，由于導(dǎo)流墻的導(dǎo)流和阻塞，使彎道側(cè)流流動(dòng)，使彎道的環(huán)流效應(yīng)減弱，滑槽凹凸側(cè)的不均勻流動(dòng)比沒有導(dǎo)流墻的低得多。

經(jīng)分析加導(dǎo)流墻后有溢洪道整體得到如下改善：

1）減小因溢洪道變形發(fā)生的沖擊波而引起的水面傾斜和變形。

2）在流速方面，流速波動(dòng)較大，斷面分布不均勻。有導(dǎo)流墻后，各點(diǎn)流動(dòng)速度基本一致，波動(dòng)較弱，流動(dòng)狀態(tài)大大改善。

3）改善不均勻的水流狀態(tài)也會(huì)對(duì)底板的壓力產(chǎn)生有益的影響。底板壓力分布均勻，受力平衡，還能達(dá)到消除負(fù)壓，促使整體更加穩(wěn)定。

4）沒有導(dǎo)流墻時(shí)，水流進(jìn)入陡槽水位的不規(guī)則波動(dòng)，回水不斷堵塞，水擊壁開始發(fā)生。有導(dǎo)流墻后，水面波動(dòng)變小，水位起伏有規(guī)律，最后，兩岸的水位一樣，進(jìn)入消力池。

5）導(dǎo)流墻不但可以優(yōu)化彎道，陡槽段的水流形態(tài)，也間接影響消力池，有導(dǎo)流墻進(jìn)入由于消力池的水流水位沒有起伏，非常穩(wěn)定，大大降低了消力池的工作量，提高工作效率，在導(dǎo)流池經(jīng)過后，水流順暢許多。

總的來說，對(duì)湯河水庫溢洪道加導(dǎo)流墻對(duì)工程整體來講是非常有益的，從施工難度，投入，安全可靠，分流效果等諸多方面來看都是最好的工程措施，所以，加導(dǎo)流墻是十分可行的。

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