徐德寶,陳日晶,吳大畏
(營(yíng)口市鞍鋼水業(yè)有限公司,遼寧 營(yíng)口 115007)
玉石水庫(kù)位于遼寧省蓋州市礦洞溝鎮(zhèn)境內(nèi)碧流河支流上,是營(yíng)口市“九五”~“十五”期間重點(diǎn)水利樞紐工程,兼顧用水、防洪、灌溉等多項(xiàng)任務(wù)。水庫(kù)攔河壩為混凝土重力壩,壩頂長(zhǎng)266.5 m,壩最高50.2 m,總庫(kù)容8 852萬(wàn)m3,包含15個(gè)壩段,其中5#~7#為溢流壩段,全長(zhǎng)62 m,共設(shè)5個(gè)泄流孔,每孔凈寬10 m,有5扇弧形鋼閘門。
在溢流壩工作過(guò)程中,必然會(huì)面對(duì)水庫(kù)調(diào)度指令與河道天然來(lái)流的雙重影響,出現(xiàn)閘門開(kāi)度和堰上水頭隨時(shí)間持續(xù)變化的情況,如果不能根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)準(zhǔn)確地做出閘門啟閉的決策,很容易發(fā)生工程事故危及到下游企業(yè)和群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。玉石水庫(kù)實(shí)際泄洪時(shí),水位下降速度較快,即實(shí)際泄流量大于理論泄流量,因此有必要校核溢流壩開(kāi)度-水位-泄流量的理論計(jì)算體系,避免發(fā)生工程事故。本文對(duì)此做一介紹。
當(dāng)下游水位低于堰頂,不影響閘孔出流時(shí),為自由出流。因堰頂為曲線形,實(shí)用堰上的閘孔自由出流越過(guò)堰頂,即沿堰面下泄,因此不會(huì)出現(xiàn)類似寬頂堰閘孔的收縮斷面[1]。原有泄流量計(jì)算如下。
實(shí)用堰單孔閘孔自由出流流量即泄流量計(jì)算如下[2-3]:
式中,μ0為實(shí)用堰閘孔自由出流流量系數(shù);b為孔寬,m;e為閘門開(kāi)啟高度,m;g為重力加速度,m2/s;H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭與堰高之差,m。針對(duì)閘門開(kāi)啟后水位較高時(shí)孔口出流工況,可由式(2)計(jì)算 μ0如下:
式中,H為閘前總水頭,即水頭高與堰高之差,m,適用范圍為 0.10<e/H<0.75。
敞開(kāi)式WES型實(shí)用堰的泄流能力計(jì)算如下:
式中,c為上游堰坡影響修正系數(shù);m為二維水流WES實(shí)用堰泄流量系數(shù),針對(duì)的是閘門開(kāi)啟后高于水庫(kù)蓄水位時(shí)的堰流工況;ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù),可由式(4)計(jì)算;σs為淹沒(méi)系數(shù);B為溢流堰總凈寬,多孔時(shí)為各孔凈寬之和,m。
式(4)適用于 H0/b≤10,當(dāng) H0/b>10 時(shí),H0/b仍取值 1.0[2-3]。
式中,ξk為邊墩形狀系數(shù) (對(duì)于直角矩形,ξk=1.0;對(duì)于折線或圓角形,ξk=0.7;對(duì)于流線形,ξk=0.4);n為閘孔數(shù)目;ξ0為中墩形狀系數(shù);υ為堰上斷面行進(jìn)流速,m3/s。
在2020年一次泄洪中,發(fā)現(xiàn)水位下降速度較快,實(shí)際泄流量比理論泄流量大。記錄水頭高為199.05 m,堰高為196 m,計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭為199.075 m,五孔開(kāi)度b均為10 m,閘門開(kāi)啟高度e為0.35 m。此時(shí)為閘口出流,按照式(1)和式(2)計(jì)算,5 孔泄流量總計(jì)為:
當(dāng)持續(xù)泄洪9 min后,水位下降為199.04 m。依據(jù)水庫(kù)建設(shè)時(shí)提供的水位庫(kù)容曲線,此時(shí)總庫(kù)容減少5.23萬(wàn)m3。水庫(kù)只有泄洪、城市用水、上游來(lái)水三個(gè)通道,并且已知城市用水0.06萬(wàn)m3,因此上游來(lái)水量可以計(jì)算為:
上游來(lái)水量最低為0而不會(huì)為負(fù)數(shù),因此可知泄洪計(jì)算存在問(wèn)題。 初步判斷可能是泄流量計(jì)算所采用的理論公式中,部分系數(shù)與工程實(shí)際不符,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際泄流量誤差較大。為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性,采用模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行校核,以得到適用于本工程的各項(xiàng)系數(shù)。
采用水工試驗(yàn)?zāi)P?,原理是仿照原體實(shí)物,按照相似準(zhǔn)則將原型縮制成模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。如想了解原型的實(shí)際現(xiàn)象和性質(zhì),或檢查其水力安全性,可以用模型重演與原型相似的自然情況進(jìn)行觀測(cè)和分析研究,然后按照一定的相似準(zhǔn)則引伸到原型,從而做出判斷[4]。
根據(jù)工程的特點(diǎn),本試驗(yàn)選用正態(tài)模型,且按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì),同時(shí)保證模型水流流態(tài)與原型水流流態(tài)相似[5]。溢流壩模型試驗(yàn)長(zhǎng)度比尺為 1∶40,流速比尺為 1∶6.234 6,泄流量比尺為1∶10 119.29,糙率比尺為 1∶1.849。根據(jù)原型工程實(shí)際材料和糙率,按糙率比尺選用模型材料,原型材料為鋼筋混凝土,糙率為0.014~0.017,換算后選擇糙率為0.007 8~0.008 6的有機(jī)玻璃制作溢流壩模型。
根據(jù)上述采用的模型比尺,將原型尺寸換算為模型尺寸。其中,原型壩體每孔凈寬10 m,閘墩長(zhǎng)19.5 m,寬2 m,最大壩高50.2 m,壩底寬39.50 m,上游面直立并與擋水壩面齊平,下游面坡度為1:0.75,溢流堰堰頂高程196 m。溢流壩模型平面及斷面示意圖見(jiàn)圖1所示。
圖1 溢流壩模型平面及斷面示意圖(mm)Fig.1 Schematic Diagram for Plane View and Cross Section of Spillway Dam Model
試驗(yàn)中根據(jù)閘門開(kāi)度分為 0.24、0.45、0.83、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m 及全開(kāi) 10 種工況,測(cè)量每一個(gè)工況下水位在197.0~202.7 m范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)應(yīng)的中孔、邊孔、5孔的泄流量。
本文僅以5孔泄流為例,特征水位下泄流量試驗(yàn)值與理論值對(duì)比見(jiàn)表1。由表1看出,各工況試驗(yàn)泄流量均大于理論計(jì)算值,相對(duì)誤差在11%~23%,與實(shí)際工況趨勢(shì)相同。試驗(yàn)結(jié)果還表明,在各種工況下,各孔相互間基本上沒(méi)有影響,單孔泄流量約為5孔全開(kāi)泄流量的1/5。根據(jù)多次試驗(yàn)測(cè)得的模型泄流量和比尺計(jì)算的實(shí)際泄流量,繪制了不同開(kāi)度下水位-泄流量關(guān)系曲線,開(kāi)度和水位的精確度可達(dá)到0.01 m。圖2為不同開(kāi)度下5孔水位-泄流量關(guān)系曲線。邊孔和中孔的曲線與5孔相似。
表1 特征水位下泄流量試驗(yàn)值與理論值對(duì)比Table 1 Comparison of Experimental Values and Theoretical Values of Discharged Water Flow at Characteristic Level of Water
圖2 不同開(kāi)度下5孔水位-泄流量關(guān)系曲線Fig.2 Relationship Curves between Five-hole Water Level and Discharged Water Flow at Different Openings
從圖2中可以看出,溢流壩的泄流量隨閘門開(kāi)度的增大而變大,試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際規(guī)律。工程中應(yīng)用該曲線計(jì)算得到的泄流量、水位與實(shí)際變化相符,證明其準(zhǔn)確性。
對(duì)校核后的泄流量計(jì)算理論進(jìn)行了檢驗(yàn),按照式(7)的計(jì)算方法未出現(xiàn)入庫(kù)量為負(fù)數(shù)的不合理情況。此外在根據(jù)水文預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際泄洪時(shí),水位未出現(xiàn)快速下降等現(xiàn)象,證明試驗(yàn)得出的泄流量適用于水庫(kù)的實(shí)際工況。分析認(rèn)為校核前理論計(jì)算采用的泄流量系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式(2)求得,該公式來(lái)源于老版資料,較長(zhǎng)時(shí)間未更新修正,無(wú)法與該溢流壩實(shí)際工程情況完全契合。在新修訂規(guī)范《SL 253-2018溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中,泄流量系數(shù)修改為范圍取值,與實(shí)際情況有了更好的匹配。模型試驗(yàn)理論公式與新版規(guī)范采用的理論公式相近,計(jì)算得到的泄流量值相似,確定了符合新修訂規(guī)范及本工程現(xiàn)狀的計(jì)算理論。
針對(duì)水庫(kù)溢流壩泄流量理論計(jì)算值與實(shí)際值存在誤差的問(wèn)題,采用模型試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有的泄流量計(jì)算方法進(jìn)行校核,得出結(jié)論如下:
(1)模型試驗(yàn)結(jié)果表明,各工況泄流量試驗(yàn)值均大于理論計(jì)算值,相對(duì)誤差在11%~23%,與實(shí)際工程趨勢(shì)相同,證明之前采用的泄流量計(jì)算公式存在一定誤差;
(2)各種開(kāi)度和水位下,閘門全開(kāi)、邊孔和中孔單孔泄流等情況下,各孔相互間基本上沒(méi)有影響,單孔泄流量約為5孔全開(kāi)泄流量的1/5;
(3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,擬合出不同開(kāi)度、不同水位條件下對(duì)應(yīng)的泄流量曲線,開(kāi)度和水位的精確度可達(dá)到0.01 m,工程中應(yīng)用該曲線得到的泄流量、水位與實(shí)際變化相符,證明校核工作的準(zhǔn)確性。