劉利軍

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110166）

1 工程背景

李金水庫(kù)位于遼寧省綏中縣大王廟鎮(zhèn)境內(nèi)的王寶河支流上，是一座以防洪和灌溉為主，兼有供水、養(yǎng)殖等諸多功能的?。?）型水庫(kù)。水庫(kù)壩址以上河長(zhǎng)15.70 km，控制流域面積29.20 km2，河道比降為2.43%。水庫(kù)始建于20世紀(jì)70年代，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。根據(jù)工程的初始設(shè)計(jì)，水庫(kù)的死水位為109.50 m，死庫(kù)容為44.22萬(wàn)m3；正常蓄水位為118.00 m，正常高水位庫(kù)容為397.09萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水位為122.45 m，設(shè)計(jì)洪水位庫(kù)容為736.23萬(wàn)m3；校核洪水位為124.55 m，校核洪水位庫(kù)容為930.19萬(wàn)m3。水庫(kù)建筑物主要由大壩、溢洪道和輸水洞組成。其中，水庫(kù)大壩為粘土心墻砂殼壩，溢洪道為開(kāi)敞式寬頂堰。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，目前水庫(kù)的病險(xiǎn)問(wèn)題比較突出，存在嚴(yán)重的工程安全隱患，亟待進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

根據(jù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)，水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)要提高到200年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇。由于防洪標(biāo)準(zhǔn)大幅提高且原溢洪道損毀嚴(yán)重，因此需要大部拆除重建。新建的溢洪道位于大壩右岸，主要由引渠段、控制段、陡槽段、擴(kuò)散段、消力池及護(hù)坦組成。其中，泄槽段采用長(zhǎng)2.00 m、高1.00 m的臺(tái)階進(jìn)行消能；溢洪道的出口采用底流消能，后接消力池。消力池長(zhǎng)46.00 m、寬17.00 m、深6.30 m。

2 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.1 模型設(shè)計(jì)與制作

此次試驗(yàn)采用重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)[1]，結(jié)合工程的原始設(shè)計(jì)和場(chǎng)地因素，選擇1∶60的幾何比尺，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算獲取其他物理量比尺，結(jié)果如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)物理量比尺

在模型制作過(guò)程中，按照設(shè)定的幾何比尺制作125.00 m高程以下的庫(kù)區(qū)地形，左岸102.00 m，右岸101.00 m以下的河道地形。整個(gè)模型采用斷面模板法，按照1∶1 000的比例進(jìn)行制作，并對(duì)部分特殊地形進(jìn)行加密處理[2]。

模型的引渠段、控制段、陡槽段、擴(kuò)散段、消力池均使用厚度為10 mm的有機(jī)玻璃板制作，其糙率正好可以擬合混凝土的糙率，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體要求[3]。整個(gè)溢洪道每隔1.00 m設(shè)置一個(gè)角鋼框架結(jié)構(gòu)，以保證模型的穩(wěn)定性[4]。

2.2 測(cè)量方法和設(shè)備

試驗(yàn)中的水深數(shù)據(jù)利用鋼板尺直接測(cè)量，并以測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制出水面線[5]；壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采用測(cè)壓管進(jìn)行測(cè)量[6]，流量Q數(shù)據(jù)則使用寬度為60 cm的薄壁量水堰進(jìn)行量測(cè)，其計(jì)算公式：

式中：H為堰上水頭，m；P為堰高，m；B為堰寬，m；H0為修正后的水頭，m。

水位高度利用測(cè)針進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中應(yīng)緩慢接近水面，當(dāng)其針頭剛好接觸水面時(shí)開(kāi)始讀數(shù)[7]；流速V的測(cè)量使用8 mm畢托管，以實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)工況溢洪道各部位的流速場(chǎng)變化情況[8]，其計(jì)算公式：

式中：φ為流量系數(shù)，取1；g為重力加速度，m/s2；h為液面的高差，m。

2.3 試驗(yàn)工況

結(jié)合背景工程的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和初始工程設(shè)計(jì)，確定如表2所示的不同試驗(yàn)工況及具體參數(shù)。

表2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)表

2.4 初始方案試驗(yàn)結(jié)果

利用制作的水工模型，對(duì)溢洪道初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示：陡槽段、消力池和池后海漫段的水流流態(tài)較差。在水流經(jīng)過(guò)陡槽段臺(tái)階邊緣時(shí)，水流會(huì)完全填充臺(tái)階面，沒(méi)有空腔存在，水流完全憑借剪切力在臺(tái)階的折角部位形成漩渦。在校核工況下，由于水流量加大，臺(tái)階處的水流表現(xiàn)為滑行水流，在進(jìn)入消力池后沿底部向前流動(dòng)，并在池前部產(chǎn)生明顯的回流，在消力池的中后部存在明顯的水流雍高現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，雖然臺(tái)階部分進(jìn)行了部分消能，但是消力池的消能效果不佳，造成水流在出池時(shí)的流速仍然偏大，極易造成下游河道的沖刷。由于主流的整體流速較大，水流在消力池內(nèi)沒(méi)有形成完整的水躍，因此，造成池尾部位的水面雍高，池后部的壓強(qiáng)較大。由此可見(jiàn)，消力池的原設(shè)計(jì)方案未能達(dá)到消能設(shè)計(jì)效果，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

鑒于原始設(shè)計(jì)方案消力池中的水流流態(tài)較差，在出口部位形成二次水躍，造成下游河床的嚴(yán)重沖刷，同時(shí)消力池內(nèi)存在回流現(xiàn)象，因此，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案中的常規(guī)消力池設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。改進(jìn)思路：一是對(duì)消力池進(jìn)行加寬和加深；二是在消力池尾坎部位設(shè)置等間距的倒三角形楔體尾墩；三是上述2種方式的結(jié)合?；谏鲜龈倪M(jìn)思路，提出3種不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)表3。鑒于初始設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)水位工況下的水流流態(tài)就明顯偏差，且該工況也是以后溢洪道的主要開(kāi)啟和使用工況，因此，對(duì)優(yōu)化方案在設(shè)計(jì)水位工況下展開(kāi)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1水流流態(tài)

通過(guò)模型試驗(yàn)可以看出，3個(gè)優(yōu)化方案的臺(tái)階凹角部位都存在比較明顯的漩渦，受消力池空間的限制，方案2靠近消力池前部的部位形成水躍；方案2和方案3由于消力池空間較大，靠近消力池的底部并形成比較完整的水躍，消能比較充分。方案3和方案2相比，消力池內(nèi)和下游海漫段的水流流態(tài)更為平順，大部分水流隨主流在消力池靠近底板位置形成比較充分的水躍，能量的耗散也比較充分，可以有效減輕下游的沖刷。

3.2.2流速

模型試驗(yàn)中對(duì)3種不同優(yōu)化方案消力池以下游海漫段各個(gè)關(guān)鍵斷面的流速進(jìn)行測(cè)量，其中每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于左岸、右岸和中心線部位。其中，左岸和右岸測(cè)點(diǎn)位于距離邊墻5 cm部位。每個(gè)測(cè)點(diǎn)都進(jìn)行3次測(cè)量，以其均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，如表4所示。從表4中的結(jié)果可以看出，在3種優(yōu)化方案下，溢洪道消力池和下游海漫段的中心線部位存在急流，但是所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速值均為正值，說(shuō)明在經(jīng)過(guò)方案優(yōu)化之后，消力池和下游海漫段不存在明顯的回流現(xiàn)象，水流的流態(tài)更為平順。從3種優(yōu)化方案的對(duì)比來(lái)看，方案3的中心線部位的流速值較方案1和方案2明顯偏小，說(shuō)明對(duì)急流的控制作用更為明顯；中心與兩側(cè)的流速差更小，說(shuō)明水流流態(tài)分布更為均勻，可以取得更為理想的消能效果。

表4 各關(guān)鍵斷面流速試驗(yàn)結(jié)果m/s

3.2.2壓強(qiáng)

模型試驗(yàn)中對(duì)3種不同優(yōu)化方案消力池以下游海漫段各個(gè)關(guān)鍵斷面的壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)都進(jìn)行3次測(cè)量，以其均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，如表5所示。從表5中可以看出，在3種優(yōu)化方案下，池內(nèi)和池后海漫段的壓強(qiáng)分布較為均衡，不存在比較明顯的突變。由于水流進(jìn)入消力池后可以充分?jǐn)U散和消能，因此底部壓強(qiáng)的分布基本一致。由于主流在前行中會(huì)裝機(jī)消力池尾坎折角，因此，靠近尾坎部位的壓強(qiáng)稍有增大，同時(shí)各方案下消力池內(nèi)均不出現(xiàn)負(fù)壓。3種方案對(duì)比來(lái)看，方案3的壓強(qiáng)分布更為均衡，消力池各部位的壓強(qiáng)變化較為平穩(wěn)，應(yīng)該為最佳方案。

4 結(jié)語(yǔ)

溢洪道的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)保證水利工程泄洪安全具有重要意義。為了解決背景工程常規(guī)消力池消能效果不明顯，消力池和下游海漫段水流流態(tài)較差的問(wèn)題，研究中提出了3種不同思路的消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò)模型試驗(yàn)的結(jié)果分析，認(rèn)為方案3條件下的池內(nèi)和海漫段的水流流態(tài)最為平穩(wěn)，為最佳設(shè)計(jì)方案。當(dāng)然，此次優(yōu)化研究?jī)H針對(duì)消力池的體型展開(kāi)，沒(méi)有進(jìn)一步探索臺(tái)階尺寸和型式對(duì)消能效果的影響，也沒(méi)有探討和分析下游不同消能工與臺(tái)階溢洪道聯(lián)合使用時(shí)的水力特征，因此，在今后的研究中仍需要在上述方面進(jìn)行更為深入的研究和分析，以便為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供更有力的支持和幫助。

表5 各關(guān)鍵斷面壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果 MPa