黄河西霞院水利枢纽泄洪闸水力计算及模型试验

2012-12-08连惠萍

黄河水利职业技术学院学报 2012年1期

连惠萍，赵婷

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

0 引言

黄河西霞院水利枢纽工程是一座以反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用的大型水利工程，胸墙式泄洪闸是工程的主要泄水建筑物，共21 孔，其中开敞式泄洪闸14孔，胸墙式泄洪闸7 孔。根据理论计算和水工模型试验，对胸墙式泄洪闸的泄流能力及其影响因素进行分析总结，研究泄洪闸的体型及其泄流能力，对枢纽的整体布局有着举足轻重的作用。

1 西霞院工程概况

西霞院工程位于黄河干流小浪底水利枢纽坝下16 km 处，坝址左岸为河南省洛阳市吉利区，右岸为洛阳市孟津县，坝址以上流域面积69.46 万km2。本工程为大（2）型工程，主要建筑物有挡水大坝、泄洪闸、排沙洞、河床式电站、王庄引水闸、灌溉引水闸等，均为2 级建筑物，设计洪水标准采用100 年一遇，校核洪水标准为5 000 年一遇。根据黄河多泥沙的特点和枢纽运行要求，采取泄洪、排沙和发电建筑物集中布置在中部、大坝布置在左右两侧的总体布置形式。枢纽建筑物为闸坝式结构，坝顶高程139 m，坝顶长3 122 m(其中土坝长2 601 m)，最大坝高51.2 m(电站坝段)。可行性研究阶段，泄洪闸全部采用开敞式布置（该方案以下简称开敞式布置方案），可行性研究审查意见为“同意泄洪闸采用开敞式布置方案，基本同意选定21 孔泄洪闸泄流规模，高水位时泄洪建筑物泄量裕度较大，初设阶段应进一步比选核定”。根据审查意见，本阶段在可行性研究方案的基础上，将21 孔泄洪闸中靠电站一侧（左侧）的7 孔闸的堰顶高程降低，采用胸墙式结构，其余14 孔仍采用开敞式布置形式（该方案以下简称组合式布置方案）。同开敞式布置方案进行比较。

2 胸墙式泄洪闸设计

胸墙式泄洪闸孔口尺寸为：9 m×4.5 m (宽×高)。堰型为实用堰，堰体采用抛物线。选取的曲线方程为y=x2/32.5。堰顶高程为121.0m，胸墙厚2.23m。胸墙底缘高程为R=1 m 的圆弧段与1∶3 的压坡连接，数值为125.1 m。下游接直线段和反弧段与闸下消力池段相接。设计形式如图1 所示。

图1 西霞院胸墙式泄洪闸闸室段纵剖视图Fig.1 Breast wall flood discharge gate lock chamber section view of Xixiayuan

3 胸墙体型研究

从模型试验中发现，在各级特征水位下，堰面和闸墩上各测点的压力值均为正值，压力变化基本平顺。从压力分布来看，堰面设计基本合理,但胸墙底缘弧段产生负压，其负压值随闸前水位的升高而增大，校核水位时负压值为1.37m 水柱。胸墙上产生负压主要是由于胸墙底缘水流脱离边界所造成。因此,为了消除负压,要对胸墙体型进行5 种修改。胸墙体型参数见表1。表中5 种胸墙底缘最低点都是125.5 m，且胸墙下的堰顶形式一样。

表1 胸墙体型对泄洪闸泄量的影响Table 1 Effect of breast wall to flood discharge gate discharge volume

当上下游水位一定时，影响胸墙式泄洪闸泄流能力的主要因素有堰面体型和胸墙体型; 当堰面体型不变时，胸墙体型是影响泄流的主要因素。从表中可看出，原方案、1 方案及2 方案中,胸墙厚度和压坡坡度相同，仅胸墙进口局部曲线有变化，在同一水流条件下，泄量变化不大。方案3 与原设计相比，仅压坡变陡，在相同水流条件下，其泄量约减少5%。泄量减少主要是泄洪闸堰面为实用堰，当胸墙为压坡变陡时，出孔水流由于惯性压迫水舌，减少了过流面积。方案4 与原设计相比，压坡相同，胸墙变薄，其泄量减少约6%。方案4 减少的主要原因是压坡位置上移，实际过流孔口高度减小。方案5 同原设计相比，胸墙厚度增加，压坡变缓，其泄量增加较多，约5%～7%。方案5 泄量增加的原因是胸墙加厚、压坡变缓。因此，当堰型一定时，胸墙压迫是影响泄量的主要因素，当胸墙厚度一定时，压坡越缓流量系数越大。从模型试验可以看出，当堰型一定时，胸墙压坡是影响泄量的主要因素，胸墙厚度一定时，压坡越缓,流量系数越大，胸墙厚度相对较小时，其压坡不能过缓，因为过缓不仅会引起负压，还会引起水流在胸墙底缘处流线互相脱流，流态不稳。方案5 的体型在各种特征水位下胸墙上均无负压，且流量系数较大。

4 流量系数选取研究

4.1 问题的提出

胸墙泄洪闸采用带胸墙孔口的实用堰曲线。根据《溢洪道设计规范》SL253-2000A.2.2,带胸墙孔口实用堰的泄流能力公式为：

式中:Q 为流量；m3/s；μ 为孔口自由出流流量系数，（p1/Hd）＞0.6，H/D=2～3 时，μ=0.70～0.80；（p1/Hd）＞0.6，H/D=1.5～2 时，μ=0.60～0.70； k 为孔口面积，m2；Hw为计入行近流速水头的堰上总水头，m；Hd为定型设计水头，m；H 为堰上水头，m。

根据水力学计算公式,Hd=0.65Hmax，p1=121～118=3m， p1/Hd=0.33，不满足上述范围。考虑H/D 在2～3 范围内，可根据比值内插,选取流量系数0.72～0.77。

4.2 试验与计算比选

黄河水利科学院对西霞院工程的初步设计进行了1∶50 的胸墙泄洪闸进行单体模型试验。原设计泄洪闸为两孔一联，缝墩和中墩相间布置，模型选1个整墩、2 个半墩、2 个整闸孔，模拟闸段宽度24.50 m。

表2 胸墙泄洪闸7 孔不同水位下流量及参数比较Table 2 Comparison of parameter and down-off of breast wall flood discharge gate seven-hole of different water levels

从表2 可知，p1/Hd=0.33＜0.6，流量系数也在0.70～0.80 范围内。试验结果大于设计值5%～6%，但考虑胸墙体型对流量系数影响较大，且根据胸墙底缘的压力测试成果，胸墙底缘弧段在各特征水位下均存在负压，为了消除负压，对胸墙进行5 种体型的修改。

从表3 可知, 试验值大于设计值11%～13%，试验流量系数较大，使流量增大。因此,把孔口从4.5 m减小为4.1 m，修改后试验流量系数稍增。

表3 修改后7 孔胸墙泄洪闸不同水位下流量参数比较Table 3 Comparison of parameter, down-off and flow of amending breast wall flood discharge gate seven-hole of different water levels

4.3 理论计算流量系数选取

从试验与计算比较中可以发现, 流量系数在计算上偏小，经分析,计算采用的是《溢洪道设计规范》SL253-2000 中带胸墙孔口实用堰流能力计算公式，由于在计算中p1/Hd=0.33＜0.6，不符合p1/Hd=0.33＞0.6 的计算条件，只是近似采用该计算公式。流量系数综合反映闸孔形状和闸门相对开度对泄流量的影响。从形状上看,原设计采用的公式中胸墙底缘对应堰顶高程，采用5 体型泄洪闸胸墙布置形式时,检修门布置在胸墙前缘，工作门布置在胸墙末端，因此胸墙底缘位于堰顶轴线下游，对应堰顶高程120.75m，与前用公式条件不符。

重力坝设计规范DL5108-1999 孔口泄流能力计算公式为：

式中：Q 为流量，m3/s；Ak为出口处面积，m；Hw为自由出流时孔口中心处的作用水头，m；μ 为孔口或管道流量系数，初步设计时对设有胸墙的堰顶高孔，当Hw/D=2～2.4(D 为孔口高，m)时，取μ=0.74～0.82，对深孔取μ=0.74～0.82，对短有压深孔取μ=0.83～0.93，对长有压深孔μ 必须在计算沿程及局部水头损失后确定。

西霞院工程胸墙较厚，设计已形成了压力段。根据模型试验成果，在采用有压流计算沿程及局部损失后确定流量系数是合适的。