徐德寶,陳日晶,吳大畏
(營口市鞍鋼水業(yè)有限公司,遼寧 營口 115007)
玉石水庫位于遼寧省蓋州市礦洞溝鎮(zhèn)境內(nèi)碧流河支流上,是營口市“九五”~“十五”期間重點水利樞紐工程,兼顧用水、防洪、灌溉等多項任務。水庫攔河壩為混凝土重力壩,壩頂長266.5 m,壩最高50.2 m,總庫容8 852萬m3,包含15個壩段,其中5#~7#為溢流壩段,全長62 m,共設5個泄流孔,每孔凈寬10 m,有5扇弧形鋼閘門。
在溢流壩工作過程中,必然會面對水庫調度指令與河道天然來流的雙重影響,出現(xiàn)閘門開度和堰上水頭隨時間持續(xù)變化的情況,如果不能根據(jù)實際情況及時準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)和群眾的生命財產(chǎn)安全。玉石水庫實際泄洪時,水位下降速度較快,即實際泄流量大于理論泄流量,因此有必要校核溢流壩開度-水位-泄流量的理論計算體系,避免發(fā)生工程事故。本文對此做一介紹。
當下游水位低于堰頂,不影響閘孔出流時,為自由出流。因堰頂為曲線形,實用堰上的閘孔自由出流越過堰頂,即沿堰面下泄,因此不會出現(xiàn)類似寬頂堰閘孔的收縮斷面[1]。原有泄流量計算如下。
實用堰單孔閘孔自由出流流量即泄流量計算如下[2-3]:
式中,μ0為實用堰閘孔自由出流流量系數(shù);b為孔寬,m;e為閘門開啟高度,m;g為重力加速度,m2/s;H0為計入行近流速水頭的堰上總水頭與堰高之差,m。針對閘門開啟后水位較高時孔口出流工況,可由式(2)計算 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。
敞開式WES型實用堰的泄流能力計算如下:
式中,c為上游堰坡影響修正系數(shù);m為二維水流WES實用堰泄流量系數(shù),針對的是閘門開啟后高于水庫蓄水位時的堰流工況;ε為閘墩側收縮系數(shù),可由式(4)計算;σs為淹沒系數(shù);B為溢流堰總凈寬,多孔時為各孔凈寬之和,m。
式(4)適用于 H0/b≤10,當 H0/b>10 時,H0/b仍取值 1.0[2-3]。
式中,ξk為邊墩形狀系數(shù) (對于直角矩形,ξk=1.0;對于折線或圓角形,ξk=0.7;對于流線形,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,計入行近流速水頭的堰上總水頭為199.075 m,五孔開度b均為10 m,閘門開啟高度e為0.35 m。此時為閘口出流,按照式(1)和式(2)計算,5 孔泄流量總計為:
當持續(xù)泄洪9 min后,水位下降為199.04 m。依據(jù)水庫建設時提供的水位庫容曲線,此時總庫容減少5.23萬m3。水庫只有泄洪、城市用水、上游來水三個通道,并且已知城市用水0.06萬m3,因此上游來水量可以計算為:
上游來水量最低為0而不會為負數(shù),因此可知泄洪計算存在問題。 初步判斷可能是泄流量計算所采用的理論公式中,部分系數(shù)與工程實際不符,導致計算結果和實際泄流量誤差較大。為提高計算的準確性,采用模型試驗的方法進行校核,以得到適用于本工程的各項系數(shù)。
采用水工試驗模型,原理是仿照原體實物,按照相似準則將原型縮制成模型進行試驗研究。如想了解原型的實際現(xiàn)象和性質,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行觀測和分析研究,然后按照一定的相似準則引伸到原型,從而做出判斷[4]。
根據(jù)工程的特點,本試驗選用正態(tài)模型,且按重力相似準則進行模型設計,同時保證模型水流流態(tài)與原型水流流態(tài)相似[5]。溢流壩模型試驗長度比尺為 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
試驗中根據(jù)閘門開度分為 0.24、0.45、0.83、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m 及全開 10 種工況,測量每一個工況下水位在197.0~202.7 m范圍內(nèi)變化時,對應的中孔、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值與理論值對比見表1。由表1看出,各工況試驗泄流量均大于理論計算值,相對誤差在11%~23%,與實際工況趨勢相同。試驗結果還表明,在各種工況下,各孔相互間基本上沒有影響,單孔泄流量約為5孔全開泄流量的1/5。根據(jù)多次試驗測得的模型泄流量和比尺計算的實際泄流量,繪制了不同開度下水位-泄流量關系曲線,開度和水位的精確度可達到0.01 m。圖2為不同開度下5孔水位-泄流量關系曲線。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值與理論值對比Table 1 Comparison of Experimental Values and Theoretical Values of Discharged Water Flow at Characteristic Level of Water
圖2 不同開度下5孔水位-泄流量關系曲線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度的增大而變大,試驗結果符合實際規(guī)律。工程中應用該曲線計算得到的泄流量、水位與實際變化相符,證明其準確性。
對校核后的泄流量計算理論進行了檢驗,按照式(7)的計算方法未出現(xiàn)入庫量為負數(shù)的不合理情況。此外在根據(jù)水文預測數(shù)據(jù)進行實際泄洪時,水位未出現(xiàn)快速下降等現(xiàn)象,證明試驗得出的泄流量適用于水庫的實際工況。分析認為校核前理論計算采用的泄流量系數(shù)由經(jīng)驗公式(2)求得,該公式來源于老版資料,較長時間未更新修正,無法與該溢流壩實際工程情況完全契合。在新修訂規(guī)范《SL 253-2018溢洪道設計規(guī)范》中,泄流量系數(shù)修改為范圍取值,與實際情況有了更好的匹配。模型試驗理論公式與新版規(guī)范采用的理論公式相近,計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)狀的計算理論。
針對水庫溢流壩泄流量理論計算值與實際值存在誤差的問題,采用模型試驗對現(xiàn)有的泄流量計算方法進行校核,得出結論如下:
(1)模型試驗結果表明,各工況泄流量試驗值均大于理論計算值,相對誤差在11%~23%,與實際工程趨勢相同,證明之前采用的泄流量計算公式存在一定誤差;
(2)各種開度和水位下,閘門全開、邊孔和中孔單孔泄流等情況下,各孔相互間基本上沒有影響,單孔泄流量約為5孔全開泄流量的1/5;
(3)根據(jù)試驗結果,擬合出不同開度、不同水位條件下對應的泄流量曲線,開度和水位的精確度可達到0.01 m,工程中應用該曲線得到的泄流量、水位與實際變化相符,證明校核工作的準確性。