簡鴻福，呂 輝，唐波華，羅 優(yōu)

(1.江西省水利科學研究院， 江西 南昌 330029； 2.鄱陽縣軍民水庫管理局， 江西 鄱陽 333100； 3.揚州大學 水利與能源動力工程學院, 江蘇 揚州 225127)

溢洪道是水庫洪水下泄的主要建筑物，其流量系數(shù)和泄流能力是水庫調(diào)洪計算的重要參數(shù)[1-3]。溢洪道控制堰的堰型主要有實用堰、寬頂堰、駝峰堰等型式，其中，駝峰堰與寬頂堰相比，具有流量系數(shù)大、泄流及過砂能力強、整體穩(wěn)定性較好、堰體外觀漂亮等優(yōu)點。目前駝峰堰一般修建在矩形明渠中，通過分別位于堰上、下游的兩個扭曲漸變段與梯形斷面的上游引渠和下游泄槽相連接[4-6]，這種布置形式與軍民水庫溢洪道現(xiàn)狀為梯形明渠不一致，需要增加大量的石方爆破和混凝土澆筑，導致工程量的增加和施工難度的增大，堰上水流流態(tài)也變得復雜。

針對軍民水庫溢洪道現(xiàn)狀為梯形明渠的問題，本文開展模型試驗，提出將堰體直接修建在現(xiàn)有明渠中，省去了扭面漸變段的實施，減少了工程量和施工難度，改善了泄流條件，增加了泄流能力，并提出了符合工程實際的泄流能力計算方法，對同類工程具有參考意義。

1 工程概況

軍民水庫位于鄱陽縣境內(nèi)潼津河北支流上，壩址以上控制流域面積133 km2。正常蓄水位82.15 m，設計洪水位85.22 m，校核洪水位86.49 m，總庫容1.894億m3，主要建筑物包括：大壩、溢洪道、灌溉發(fā)電隧洞、灌溉兼放空底涵[7-8]。

溢洪道位于大壩右岸的山體埡口處，控制段為開敞式無閘控制駝峰堰，總長775.0 m，由進口引渠段、控制段、泄槽段、消能段、出水渠段、泄洪渠段組成。

控制段長16.4 m，渠底高程80.15 m，駝峰堰頂高程82.15 m，頂寬30.0 m，過流斷面為梯形，兩岸邊坡為1∶1.0，由混凝土襯護。堰體采用C15埋石混凝土外包C20混凝土面板結(jié)構(gòu)，面板最小厚度0.5 m。堰面曲線由三段弧組成，堰頂曲線半徑5.0 m，上下游反弧曲線半徑12.0 m。下反弧段與一級泄槽段直接相連，泄槽坡度為1/35。溢洪道進口及控制段布置圖見圖1～圖3。

圖1 溢洪道控制段平面布置圖(單位：m)

圖2溢洪道控制段縱剖面圖

圖3溢洪道控制段橫剖面圖

2 試驗模型及參數(shù)

2.1 模型比尺

軍民水庫溢洪道模型按重力相似性準則設計，模型比尺(幾何比尺Lr)的選取除滿足重力相似要求外，還需滿足阻力相似的要求[9-12]，即模型的糙率系數(shù)nm與原體的糙率系數(shù)np之間滿足以下關(guān)系：

(1)

根據(jù)相關(guān)資料，原體中溢洪道表面為混凝土，np=0.014，模型中溢洪道的制模材料為有機玻璃，nm=0.0085，由此得到幾何比尺Lr=19.96。綜合考慮實驗室條件及相關(guān)設備因素，確定模型比尺Lr=20，按重力相似準則得出相應的流速比尺Vr=200.5、流量比尺Qr=202.5、時間比尺Tr=200.5。

2.2 模型制作和安裝

整個模型由進水系統(tǒng)、模型試驗段、量水系統(tǒng)和回水系統(tǒng)等組成，為保證溢洪道進口水流條件相似，模型對溢洪道進水口前緣局部區(qū)域內(nèi)的上游水庫地形進行了模擬。模型進口引水渠、控制堰、泄槽及消力池均采用有機玻璃制作，上游水庫地形用水泥砂漿抹制，交叉工程和泄水渠用灰塑料板制作。

2.3 試驗測試方法和測試儀器

本次模型試驗選擇110.8 m3/s、175.9 m3/s、232.1 m3/s、309.7 m3/s、383.1 m3/s共5組不同流量條件進行試驗。模型試驗中，溢洪道泄流量用矩形量水堰量測，沿程水壓力采用測壓管量測，流速用直讀式旋槳流速儀和畢托管測量，水面線用測針測量，對某一點的流速(或水面高度)分別測量3次，流速值(或水面高度)取3次測量的平均值。

3 試驗結(jié)果

3.1 過堰流態(tài)

利用測針測出不同來流量條件下溢洪道堰體前后各觀測斷面的水面線分布情況，如圖4所示(來流量383.1 m3/s)。圖4(a)中，由于選用的堰體布置方式?jīng)]有設置扭面等改變原渠道斷面的過渡段，上下游及控制段邊墻自然過渡，堰前水流較為平順，堰面沒有出現(xiàn)明顯的水面波動；圖4(b)中，堰面下兩側(cè)邊墻處水深明顯高于底板中部，且斷面水面波形呈對稱分布，在底板中心處水面開始隆起；圖4(c)中，斷面水面呈現(xiàn)出中心凸起、兩側(cè)平緩的形態(tài)，底板中心處的水冠較為明顯。溢洪道整體過堰流態(tài)如圖5所示。圖5中，下游泄槽段內(nèi)出現(xiàn)一定的菱形波，在堰面下0+033.4斷面兩側(cè)邊墻首先發(fā)生，兩側(cè)波形分布對稱，并向溢洪道中心發(fā)展直至相互頂沖和碰撞，頂沖點處水面隆起、水冠較高，頂沖點后菱形波呈折沖式向溢洪道兩邊發(fā)展，直至碰到兩側(cè)邊墻后又折向溢洪道中心。可見，菱形波會對下游泄槽段邊墻設計高度造成影響。

圖4 流量383.1 m3/s時堰體前后水面線觀測斷面水深分布圖

圖5溢洪道水流過堰流態(tài)

3.2 過流流速分布

利用直讀式旋槳流速儀和畢托管測量斷面0+009.00和0+055.60在各流量工況下的水流流速分布，測量結(jié)果見表1。由表1可知，各斷面平均水流流速與流量大致呈正相關(guān)關(guān)系；兩個斷面間水流水頭損失百分比為1.64%～17.85%，反映出流量越低時，當水流經(jīng)過堰體時水頭損失越大；當流量為232.1 m3/s時，水頭損失百分比最小，為1.64%，表明當溢洪道達到某一流量，水流經(jīng)過駝峰堰時水頭損失可降至最低，泄流能力提升。

表1 各流量工況下測量斷面平均流速測量結(jié)果

圖6為各流量工況下堰體前后斷面的流速分布圖。由圖可知，堰前斷面流速分布較均勻，與流量間正相關(guān)關(guān)系較明顯；堰后斷面流速分布表現(xiàn)出明顯的差異性，呈現(xiàn)出“W”型，斷面中心處流速相對于兩側(cè)明顯較小，當流量為232.1 m3/s時，斷面中心處流速與平均流速差值最大，表明受堰后菱形波的影響，斷面上各點流速與流量間無明顯的相關(guān)性。

3.3 堰面壓強分布

本次模型試驗采用測壓管量測堰面及前后底板上的水壓力，沿中心線共設置了17個測點，水壓力測點布置見圖7。共測試了5組不同過流條件下的沿程水壓力。結(jié)果表明：在各組試驗工況下，相同流量工況下堰前底板水壓力值沿程變化不明顯，但堰面水壓力值呈現(xiàn)出明顯的“V”形變化，即先下降至最低點后再快速上升，堰面水壓力最低值約4.32 kPa～5.49 kPa，出現(xiàn)在堰頂偏下部位；堰后底板沿程水壓力值在大流量情況下變化明顯，當流量小于175.9 m3/s時，底板沿程水壓力值變化不明顯，當流量大于175.9 m3/s時，底板沿程水壓力值增幅隨流量的增加呈正相關(guān)關(guān)系，當流量為383.1 m3/s時，增幅達39.4%?？傮w來看，堰面曲線合理，滿足泄洪運行要求。

圖6各流量工況下堰體前后斷面流速分布圖(m/s)

圖7溢洪道堰面及前后底板水壓力測點布置圖

圖8為各流量工況下堰面及前后底板中心線處的水壓力曲線圖，由圖8可知：總體各壓力曲線近似平行，隨著來流量的增加，各測點處的水壓力也隨之增加，尤其進口段及堰后底板處各測點水壓力值變化明顯，與來流量相關(guān)性較好；但堰頂附近水壓力值隨流量變化不大。在同一流量條件下，進口段及堰后底板處各測點壓力變化曲線較為平緩，這是由于進口段及堰后泄槽段過流斷面均為梯形斷面，為明渠均勻流，水頭損失相對較小，流態(tài)較穩(wěn)定；當逐漸趨于上堰面反弧段時，過流面積減小，部分勢能轉(zhuǎn)化為動能，流速增大，導致堰面水壓力減??；在堰頂凸面處，水壓力線開始快速下降，到堰頂后某一位置處壓強降至最低點，這是由于在該位置液體質(zhì)點上的慣性離心力與重力合力方向與其流速方向一致，液體質(zhì)點流速達到最大，導致更多的勢能轉(zhuǎn)化為動能，該位置處的壓強降至最小；之后下反弧段，隨著過流面積的增大，流速減小，壓強又開始上升，至泄槽段壓強線逐漸趨于水面線；整個堰面壓強分布近似為“馬鞍形”。本次試驗結(jié)果顯示的壓強規(guī)律完全符合急變流動水壓強分布規(guī)律，與其它研究成果文獻[13-15]基本是一致的。

圖8各流量工況下堰面及前后底板中心線處的水壓力曲線圖

4 泄流能力計算

4.1 泄流寬度

對于駝峰堰自由泄流的下泄流量，設計采用了下列公式進行計算：

(2)

式中：Q為泄流量，m3/s；m0為駝峰堰自由泄流的流量系數(shù)；H0為堰上水頭，H0=上游庫水位-堰頂高程，m；B為溢流寬度；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

在堰頂寬度相同、同一水位條件下，梯形明渠中駝峰堰的泄流量大于矩形明渠中駝峰堰的泄流量[2]。由公式(2)可得公式(3)：

(3)

其中：BH0為過流斷面的面積，由此可知，堰體下泄流量主要與過流斷面成正比，即可得公式(4)：

(4)

其中：S為堰頂處梯形斷面過水面積。

在本試驗中公式(4)可化為公式(5)：

(5)

4.2 流量系數(shù)

因此，本模型中，流量系數(shù)可表示為：

(6)

由公式(6)可知，流量系數(shù)與堰上水頭呈指數(shù)關(guān)系。

4.3 泄流量

利用公式(5)和公式(6)得出不同庫水位條件下的計算流量Q計，計算結(jié)果見表2及圖9。

表2 不同庫水位條件下計算流量與實測流量對比表

注：本試驗中，駝峰堰兩側(cè)邊墻坡比i=1。

圖9駝峰堰泄流量與庫水位關(guān)系曲線

與規(guī)范[16]中的經(jīng)驗公式計算結(jié)果比較，實測流量比計算流量大3.97%～5.89%，表明在實際工作中以經(jīng)驗公式計算梯形明渠中駝峰堰的泄流量基本滿足要求，并留有一定的超泄能力。

5 結(jié) 語

(1) 將駝峰堰直接修建在軍民水庫梯形明渠中，具有堰面流態(tài)好、堰頂過流斷面大，泄流能力強，堰前不易淤積等優(yōu)點。但下游泄槽段內(nèi)出現(xiàn)一定的菱形波，在下游泄槽段邊墻高度設計時應考慮菱形波造成的影響。

(2) 堰面及上下游水壓力分布基本呈現(xiàn)“馬鞍形”，符合駝峰堰壓強分布一般規(guī)律，滿足溢流堰設計要求。

(3) 泄流能力計算時，駝峰堰溢流寬度需采用堰頂平均過水寬度；流量系數(shù)與堰上水頭呈指數(shù)關(guān)系；在沒有實測資料的情況下，采用溢洪道設計規(guī)范中的經(jīng)驗公式計算流量基本能夠滿足要求，并留有一定的超泄能力。

(4) 堰下泄槽內(nèi)出現(xiàn)的菱形波，會對下游泄槽內(nèi)局部水面產(chǎn)生一定影響，應通過進一步試驗，確定邊墻高度。