張力鵬

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 030000）

1 前言

田家灣水庫(kù)地處山西晉中榆次區(qū)城北田家灣村,水庫(kù)所在流域?yàn)榉诤恿饔驖竞又杏?水庫(kù)控制流域面積89.8 km2,總庫(kù)容942.5×104m3。截至目前,溢洪道泄洪無(wú)閘控制,不能滿足下游山西省高校新校區(qū)防洪的限泄要求。工程區(qū)為典型的大陸型半干旱季風(fēng)氣候區(qū),冬春季節(jié)氣溫低,降水稀少,夏秋季節(jié)氣溫偏高,降水豐富且旱澇災(zāi)害頻發(fā)。年氣溫均值為11.2 ℃,年降水量均值為399 mm,根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,7 月~9 月為汛期,汛期降水量在全年降水總量中占比在70%及以上,蒸發(fā)較大,年蒸發(fā)量均值為2112.5 mm,年風(fēng)速均值為1.6 m/s,冬春季節(jié)最大風(fēng)速可達(dá)25.8 m/s。

田家灣水庫(kù)溢洪道屬于陡槽式結(jié)構(gòu),軸線彎曲,在水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中,如遇出庫(kù)流量增大而且存在急流時(shí),水流的超強(qiáng)沖擊波作用會(huì)使溢洪道邊墻發(fā)生轉(zhuǎn)向,進(jìn)而導(dǎo)致水面發(fā)生傾斜。溢洪道彎道內(nèi)水面橫縱傾斜方向及程度的加劇會(huì)進(jìn)一步引起水面流速和流態(tài)等水力學(xué)參數(shù)的改變。總之,水流在流經(jīng)彎道接陡坡的溢洪道段時(shí),單寬流量必然增大,流速必然提高,能量匯聚,并在彎道處產(chǎn)生較為猛烈的水流沖擊波,這種沖擊波必然改變彎道處水流、下游陡槽及消力池等水工建筑物的水流流態(tài)產(chǎn)生不利影響,為此必須通過(guò)模型試驗(yàn)解決彎道急流沖擊波問(wèn)題,避免流量較大時(shí)出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象[1],確保溢洪道彎道水流運(yùn)行的安全性,優(yōu)化下游陡槽及消力池消能效率。

2 水工模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合該水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程所在流域水流變動(dòng)情況,包括恒定流和非恒定流兩類流態(tài),結(jié)合主相似原理及重力相似準(zhǔn)則,本文主要進(jìn)行明渠恒定非均勻流流態(tài)下田家灣水庫(kù)除險(xiǎn)加固溢洪道導(dǎo)流槽水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?。設(shè)計(jì)的溢洪道水力相似模型必須符合湍流阻力相似的相關(guān)要求,并采用正態(tài)模型。結(jié)合本水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道運(yùn)行實(shí)際,以P=1%設(shè)計(jì)洪水頻率、P=0.1%校核洪水頻率、P=2%消能防沖設(shè)計(jì)洪水頻率三種工況下所對(duì)應(yīng)的流量Qp1=1045 m3/s、Qp2=1251 m3/s、Qp3=1554 m3/s為試驗(yàn)流量,研究不同洪水位對(duì)溢洪道斷面的壓力、水流流態(tài)及水面線。

2.2 模型制作及測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?、安裝及試驗(yàn)過(guò)程均在工程所在省水庫(kù)管理中心水工大廳進(jìn)行,根據(jù)已經(jīng)確定的幾何比尺進(jìn)行田家灣水庫(kù)除險(xiǎn)加固溢洪道水工模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。模型主要包括由水泵房、地下水庫(kù)所構(gòu)成的水流循環(huán)系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)和量測(cè)系統(tǒng)、輔助設(shè)施等部分,為達(dá)到紊動(dòng)阻力要求,溢洪道模型采用有機(jī)玻璃板材制作,田家灣水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道原型糙率為0.015,糙率比尺1.92,所以有機(jī)玻璃板試驗(yàn)材料的糙率為0.015/1.92=0.0078。

田家灣水庫(kù)除險(xiǎn)加固溢洪道工程以平面布置圖、橫縱剖面圖等為模型設(shè)計(jì)依據(jù),溢洪道與閘室總長(zhǎng)為504.5 m,考慮到試驗(yàn)場(chǎng)地條件,在模型中設(shè)置兩個(gè)閘孔,以溢洪道入口為起點(diǎn)向下游模擬,并按照長(zhǎng)度比尺進(jìn)行模型各部分實(shí)際尺寸的換算,為保證試驗(yàn)過(guò)程中來(lái)水水流狀態(tài)的平穩(wěn)順直,將1個(gè)長(zhǎng)×寬×高尺寸為1.5 m×4.0m×1.6 m的穩(wěn)流池連接在供水首部,并在連接段進(jìn)口處增設(shè)曲面進(jìn)口。

結(jié)合《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》,本次所制作的水工模型地形高程誤差及平面距離誤差應(yīng)嚴(yán)格控制在2.0 mm和10.0 mm以內(nèi),漏水量應(yīng)按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)流量最小值的1%控制[2],并采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行模型高程誤差和平面距離誤差的校準(zhǔn)與控制。通過(guò)玻璃膠防水處理后所進(jìn)行的防水試驗(yàn)顯示,模型全段均不漏水。

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?在各測(cè)量斷面按照相等間距布置水位測(cè)點(diǎn)和流速測(cè)點(diǎn),并根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際,在進(jìn)口段入口處和消力池內(nèi)分別按橫縱向設(shè)置5 個(gè)測(cè)點(diǎn),其余斷面則按橫縱向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。為便于測(cè)量,臨近邊壁的測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在與邊壁距離1.0 cm的位置；進(jìn)行溢洪道過(guò)流能力、水面流速及流態(tài)等觀測(cè)的關(guān)鍵斷面還必須在彎道處布置水位壅高點(diǎn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 溢洪道進(jìn)口過(guò)流能力

庫(kù)水位及溢洪道引水渠控制情況均對(duì)溢洪道進(jìn)口過(guò)流能力存在可能影響,在放水試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)觀測(cè)0+150 堰上水頭斷面水位對(duì)閘室過(guò)流能力的影響程度發(fā)現(xiàn),水位與流量存在密切關(guān)系,整理得出的引水渠段0+150 斷面試驗(yàn)水位與溢洪道進(jìn)口處流量關(guān)系曲線見圖1。

圖1 引水渠段0+150斷面試驗(yàn)水位與溢洪道進(jìn)口處流量關(guān)系曲線

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果,在溢洪道流量較小的情況下,原型觀測(cè)和模型觀測(cè)水位存在較大差異,在流量Qp1=1045 m3/s時(shí),0+150斷面原型觀測(cè)水位110.12 m,模型試驗(yàn)水位109.74 m,原型觀測(cè)水位比模型試驗(yàn)水位高出0.38 m；隨著流量的增大,原型觀測(cè)水位比模型試驗(yàn)水位差呈增大趨勢(shì),當(dāng)流量Qp3=1554 m3/s時(shí),0+150 斷面原型觀測(cè)水位114.01 m,模型試驗(yàn)水位112.78 m,原型觀測(cè)水位比模型試驗(yàn)水位高出1.23 m。通過(guò)以上分析可以看出,原渠段設(shè)置符合過(guò)水能力要求,而且隨著流量的增大,溢洪道超泄能力不斷增強(qiáng)。

2.3.2 溢洪道水面流速

（1）進(jìn)口段水面流速。各設(shè)計(jì)流量下對(duì)進(jìn)口段A、B斷面流速實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,斷面流速均值在2.5 m/s~5.7 m/s范圍內(nèi)變化,斷面垂線實(shí)測(cè)流速最大值vmax與流速v之比在1.33~1.51 之間,斷面垂線實(shí)測(cè)流速最小值vmin與流速v之比在0.78~0.95 范圍。這一階段的弗勞德數(shù)Fr∈（0.50,0.75）,屬于緩流,因受到閘墩處繞流的作用,故軸心線處流速值較小,但進(jìn)口段末端流速又恢復(fù)正常。0+150 斷面進(jìn)口段流速橫向分布情況見圖2,進(jìn)口段流速橫向分布均勻緩和,且不存在較為明顯的橫向波。

圖2 0+150斷面進(jìn)口段流速橫向分布情況

（2）原工程段水面流速。根據(jù)試驗(yàn)流速測(cè)試結(jié)果,從0+170~0+286 斷面流速逐漸遞增,且閘室控制段流速分布均勻平穩(wěn),墩后因存在局部性繞流情況,導(dǎo)致流速發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)進(jìn)入直線段后由于過(guò)水?dāng)嗝婷娣e增大且底板存在坡度而導(dǎo)致流速顯著增大。到擴(kuò)散段后流速表現(xiàn)出分布不均勻狀態(tài),并產(chǎn)生沖擊波和較大幅度的波動(dòng)。在擴(kuò)散段沖擊波的持續(xù)影響下進(jìn)入梯形段后水面仍存在較為劇烈的波動(dòng),斷面垂線實(shí)測(cè)流速均值最大值vmax與流速均值v之比在1.14~1.93 范圍內(nèi)變動(dòng),斷面垂線實(shí)測(cè)流速均值最小值vmin與流速均值v之比在0.58~0.67 范圍內(nèi)變化。這一階段的弗勞德數(shù)Fr∈（0.53,1.98）,整個(gè)過(guò)程中水面流速表現(xiàn)出從緩流到急流的變動(dòng)過(guò)程。

2.3.3 溢洪道水面流態(tài)

（1）進(jìn)口段水面流態(tài)。田家灣水庫(kù)溢洪道進(jìn)口以下為長(zhǎng)度10 m的引水渠,通過(guò)觀測(cè)各級(jí)流量下進(jìn)口段水流流動(dòng)情況均較穩(wěn)定和平順,各級(jí)洪水流量下進(jìn)口段沿程斷面水深均值見表1。根據(jù)表中觀測(cè)結(jié)果,自溢洪道進(jìn)口段開始從0+286斷面到0+170 斷面沿程逐漸減小；0+170 斷面處因存在溢流堰上閘墩,其過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小,在墩頭阻水及水流繞流的綜合作用下,導(dǎo)致橋墩上游出現(xiàn)局部性壅水,最大壅水高度0.14 m。因溢洪道進(jìn)口段長(zhǎng)度小,其進(jìn)口邊界存在的干擾波在受到渠道邊界反射后導(dǎo)致橋墩以上水面存在微弱波動(dòng)態(tài)勢(shì),但并不影響溢洪道進(jìn)口段過(guò)流能力。

表1 各級(jí)洪水流量下溢洪道進(jìn)口段沿程斷面水深均值

（2）原工程段水面流態(tài)。溢洪道進(jìn)口段后為原工程段,設(shè)計(jì)樁號(hào)為0+170~0+286,田家灣水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道續(xù)建是在原工程基礎(chǔ)進(jìn)行,以彌補(bǔ)原溢洪道工程不足、改善陡槽和尾水渠惡劣的水力條件。本次試驗(yàn)為包括原工程段和新設(shè)計(jì)段在內(nèi)的整體模型試驗(yàn),且在各設(shè)計(jì)試驗(yàn)流量下原工程段水面流態(tài)和原型觀測(cè)流態(tài)結(jié)果基本相同,具體見表2。

由表2 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在閘墩的影響下,水深從控制段進(jìn)口末端0+170 斷面至0+185 墩后斷面沿程不斷減少,且因墩后過(guò)水?dāng)嗝婷娣e增大形成局部繞流而導(dǎo)致閘墩后出現(xiàn)明顯旋渦；對(duì)于0+185~0+200 直線段,水位較為穩(wěn)定,且到達(dá)擴(kuò)散段后水位出現(xiàn)較大變幅,沖擊波的出現(xiàn)引發(fā)旋渦區(qū)的形成,導(dǎo)致橫向水流從均勻分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g高兩邊低的狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果也證明,翼墻墻壁擴(kuò)散合理,水波傳播速度所允許的偏轉(zhuǎn)能達(dá)到相關(guān)要求而不致于造成水流脫離邊墻,但是所引起的局部性擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致沖擊波的形成,引發(fā)水流流態(tài)不均勻變化。整體而言,原工程段水深沿中軸線方向呈不斷減小趨勢(shì),且在閘室控制段及直線段因水深存在較大降幅而表現(xiàn)出水面流態(tài)橫向不均勻性,對(duì)導(dǎo)流墻加高也提出了要求,同時(shí)還導(dǎo)致水流集中,增大了下游出口消能難度[3]。

3 結(jié)論

本文對(duì)田家灣水庫(kù)除險(xiǎn)加固溢洪道導(dǎo)流墻水工模型試驗(yàn)結(jié)果顯示,原引水渠段溢洪道符合設(shè)計(jì)過(guò)水能力要求,且隨著流量的增大,溢洪道具備超泄能力。溢洪道進(jìn)口段水深從0+170 斷面~0+150 斷面持續(xù)減小,閘墩上存在局部壅水現(xiàn)象,但是并不影響進(jìn)口段過(guò)流能力,橫向流速分布均勻平緩,不存在橫向波。原工程段沿中軸線方向水深呈減小趨勢(shì),且在閘室控制段及直線段水深存在較大降幅、水位存在不均勻波動(dòng),沖擊波在受到擴(kuò)散后引發(fā)梯形段菱形波的出現(xiàn)。而閘室段流速分布均勻緩和,直線段、擴(kuò)散段和梯形段流速均存在較大幅度的變動(dòng),甚至在梯形段表現(xiàn)出從緩流到急流過(guò)度的態(tài)勢(shì)。導(dǎo)流墻的設(shè)置既能使溢洪道彎道結(jié)構(gòu)優(yōu)化、陡槽段水流形態(tài)更加緩和,又能避免進(jìn)入消力池的水流發(fā)生較大的水位變化,降低消力池能耗,增強(qiáng)水流的順暢性,提升消能工效。綜上,田家灣水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程溢洪道加導(dǎo)流墻后對(duì)流速、不均勻水流、彎道、分流效果等均存在不同程度的優(yōu)化,且對(duì)水庫(kù)工程整體運(yùn)行十分有利。