劉鵬飛

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

溢洪道是水庫工程宣泄余量洪水的重要建筑物，對水庫工程擋水及安全運(yùn)行至關(guān)重要。溢洪道首部的進(jìn)水渠主要發(fā)揮引導(dǎo)水流平順進(jìn)入泄槽段并調(diào)整水流的功能，所以進(jìn)行進(jìn)水渠設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證其槽段內(nèi)水流流態(tài)平順，保證溢洪道泄洪作用的順利發(fā)揮。大量研究成果和工程實(shí)踐也顯示，不同的溢洪道進(jìn)水渠形式對進(jìn)水渠內(nèi)水流流態(tài)及泄流能力具有不同程度的影響，且其形式設(shè)計(jì)不合理必定會引起渠段內(nèi)水流出現(xiàn)渦流并影響泄洪能力。文章主要基于具體水庫工程實(shí)際情況，對水庫溢洪道進(jìn)水渠形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為類似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

希尼爾水庫位于孔雀何流域的庫爾勒市境內(nèi)，北距庫爾勒市20km，南距尉犁縣城27km，西與尉犁縣西尼爾鎮(zhèn)的新疆紅旗機(jī)械廠東相接，東至庫魯克塔格山。地理座標(biāo)為E86°13′-86°18′，N41°33′-41°38′，該中型水庫主要發(fā)揮灌溉、供水、防洪、發(fā)電等職能。溢洪道設(shè)置在左岸壩端，主要包括進(jìn)水渠、控制段、調(diào)流段及泄流槽段。該水庫溢洪道設(shè)計(jì)原則主要為重力相似準(zhǔn)則，原設(shè)計(jì)方案中進(jìn)水渠左岸導(dǎo)墻采用直線段設(shè)計(jì)型式，且未設(shè)導(dǎo)墻，僅通過斜坡連接壩肩。

進(jìn)水渠渠底通常按照緩坡或平底設(shè)計(jì)，流速不大，且水流呈明渠非均勻緩流，溢洪道軸線和壩軸線夾角較小，在泄流時(shí)，與進(jìn)水口越遠(yuǎn)流速越小，且流線基本平行于進(jìn)水口中線；隨過水?dāng)嗝姘l(fā)生收縮，流線逐漸變得彎曲，從而形成橫斷面水面差。若進(jìn)水渠壩肩側(cè)未設(shè)導(dǎo)墻，則壩坡側(cè)水流流入進(jìn)水渠后形成側(cè)向水流，并對正向水流造成頂托[1]影響，引發(fā)水流劇烈翻滾，影響和降低閘室過流能力，甚至引發(fā)閘室振動。

2 進(jìn)水渠體型優(yōu)化

2.1 原進(jìn)水渠布置

按照原方案，溢洪道進(jìn)水渠左右側(cè)導(dǎo)墻均按照直線型布置，左導(dǎo)墻略微長于右導(dǎo)墻，且高度逐級降低。根據(jù)對原設(shè)計(jì)方案過流能力的復(fù)核，僅當(dāng)流量在420m3/s以下時(shí)溢洪道泄流量符合設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)洪水泄流量和校核洪水泄流量所對應(yīng)的庫水位分別為154.61m和155.68m，比設(shè)計(jì)值分別高出0.78m和1.49m。具體見圖1。

圖1 庫水位-流量關(guān)系曲線

按照設(shè)計(jì)過流能力進(jìn)行流量系數(shù)反算，所得到的流量系數(shù)為包含側(cè)收縮系數(shù)且不含近流速影響的綜合流量系數(shù)，其取值為0.15-0.46，試驗(yàn)結(jié)果為0.30-0.34[2]。而希尼爾水庫溢洪道寬頂堰流量系數(shù)理論值最大達(dá)0.384，所以流量系數(shù)取值過大是造成其溢洪道泄流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的主要原因，為此，必須調(diào)整溢洪道堰型。原方案下水庫溢洪道進(jìn)水渠進(jìn)水口斷面為矩形型式，進(jìn)入進(jìn)水渠的水流因受到兩側(cè)擋墻的約束流態(tài)較為紊亂，并在接近擋墻附近發(fā)生漩渦和渦流，并隨流量增大而愈加嚴(yán)重，甚至延伸至閘室區(qū)域，十分不利于閘室穩(wěn)定和泄洪能力的提升。

2.2 溢流堰體型優(yōu)化

在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上必須進(jìn)行溢洪道堰體型式變更，將原方案下的寬頂堰變?yōu)閷?shí)用堰，仍沿用原堰頂高程，調(diào)整后的堰面曲線和1∶0.8直線相切，且末端連接泄槽底板。經(jīng)過對實(shí)用堰泄流能力的反復(fù)驗(yàn)證表明，設(shè)計(jì)洪水位對應(yīng)泄流量下，上游水位比設(shè)計(jì)水位低0.51m，校核洪水多對應(yīng)泄流量下，試驗(yàn)水位比設(shè)計(jì)水位高0.11m，說明實(shí)用堰溢洪道泄流能力仍無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行進(jìn)水渠導(dǎo)墻的優(yōu)化。

2.3 導(dǎo)墻布置方案

考慮到希尼爾水庫溢洪道所處地理位置，根據(jù)溢洪道設(shè)計(jì)相關(guān)要求，其進(jìn)水渠進(jìn)口應(yīng)按喇叭口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為此，本次試驗(yàn)主要對其進(jìn)水渠左右導(dǎo)墻對稱布置。

方案一：在地理位置及周圍山體的影響下，樁號0+000.00-0+025.5m段保持直線型，而樁號0+033.2-0+053.5m段應(yīng)按24°水平角的斜直線段設(shè)計(jì)，中間通過半徑R為20m、圓心角22°的圓弧曲線連接，具體見圖2。在該優(yōu)化方案下進(jìn)水渠內(nèi)水流整體平順，僅在直線導(dǎo)墻內(nèi)存在輕微漩渦，且渦流隨整體流量的增大而逐漸明顯，但對閘室無不利影響。

圖2 方案一布置示意圖

方案二：樁號0+000.00-0+025.5m段保持直線型，而樁號0+025.5-0+046.5m段通過半徑R為50m、圓心角26°的圓弧曲線連接，具體見圖3。當(dāng)流量不大時(shí)，進(jìn)水渠內(nèi)水流整體平順，且直線段導(dǎo)墻內(nèi)存在輕微漩渦，渦流現(xiàn)象隨流量增大而隨之增大，并呈向閘室靠攏趨勢。

圖3 方案二布置示意圖

方案三：考慮到弧線長度不夠可能是造成方案二中進(jìn)水渠進(jìn)口直線段存在輕微渦流的主要原因，故在此基礎(chǔ)上適當(dāng)延長圓弧長度，達(dá)到調(diào)整水流流態(tài)的目的。具體而言，樁號0+000.00-0+025.5m段繼續(xù)保持直線型，而樁號0+025.5-0+065.5m段通過半徑R為50m、圓心角53°的圓弧曲線連接，具體見圖4。這種方案下，進(jìn)水渠內(nèi)水流整體平順，流態(tài)好，無渦流出現(xiàn)。

圖4 方案三布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水流流態(tài)分析

具體而言，通過對優(yōu)化方案下進(jìn)水渠水流流態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)，三種方案中閘室左孔水流流態(tài)均有一定程度改善，但效果不盡相同。方案一在導(dǎo)墻內(nèi)左側(cè)存在大范圍較深水面跌落，導(dǎo)致閘室左孔存在明顯渦流，且回流區(qū)與閘門控制段較為接近；方案二下水流流態(tài)與方案一較為接近，且渦流呈現(xiàn)出向閘室靠攏趨勢。方案三進(jìn)水渠內(nèi)水流平順，且無漩渦和渦流產(chǎn)生，此方案同原方案以及其余優(yōu)化方案相比，各斷面流速更加均勻，橫向水位也較為接近，能取得較好的優(yōu)化效果，具體見表1。

表1 方案三進(jìn)水渠內(nèi)斷面流速檢測結(jié)果

3.2 泄流能力分析

通過表2中對3種方案下溢洪道泄流能力的比較發(fā)現(xiàn)，3種方案溢洪道泄流能力均符合設(shè)計(jì)要求，且方案三泄流能力最大，希尼爾水庫庫水位分別為152.10m、153.87m、154.46m時(shí)方案三水位分別為150.65m、153.32m、154.21m，比設(shè)計(jì)值低1.45m、0.55m、0.24m，泄流效果最好。

表2 3種方案溢洪道泄流能力比較

4 結(jié) 論

綜上所述，希尼爾水庫寬頂堰泄流能力與設(shè)計(jì)要求相差較大，若單純將寬頂堰堰型變更為實(shí)用堰，其過流能力依然無法滿足設(shè)計(jì)要求，為此必須調(diào)整和優(yōu)化進(jìn)水渠導(dǎo)墻。通過對所提出的進(jìn)水渠導(dǎo)墻三種優(yōu)化方案的比較得出，方案三(即樁號0+000.00-0+025.5m段繼續(xù)保持直線型，而樁號0+025.5-0+065.5m段通過半徑R為50m、圓心角53°的圓弧曲線連接)能顯著改善進(jìn)水渠面流態(tài)，使渠段內(nèi)水流整體平順，無漩渦，橫向無水位差，使溢洪道泄流能力顯著提升?？傊谶M(jìn)水渠增設(shè)導(dǎo)墻后能顯著改善水流流態(tài)，且導(dǎo)墻長度對水流流態(tài)及泄洪能力存在一定程度的影響，直線型導(dǎo)墻長度越長，對水流流態(tài)的優(yōu)化作用越明顯，但是對泄流能力提高的影響一般。