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。

1 水庫(kù)泄流量理論計(jì)算

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。

（1） 閘口出流

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。

（2） 堰流

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)。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

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］。

2.2 模型設(shè)計(jì)

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

2.3 試驗(yàn)方法

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。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

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。

4 結(jié)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。