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。

1 水庫泄流量理論計算

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。

（1） 閘口出流

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。

（2） 堰流

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)。

2 模型試驗

2.1 試驗原理

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］。

2.2 模型設計

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

2.3 試驗方法

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。

3 試驗結果分析

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。

4 結論

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。