多流道式弯道在黄山洞水库溢洪道加固中的应用

2014-02-20周斌

水利规划与设计 2014年5期

关键词：段长流态溢洪道

周斌

周斌

（汕尾市水利水电规划设计院广东汕尾 516600）

平面复杂流道可借助导流墙切割水流形成多个相互独立的流道，限制水流的紊动范围，从而达到平顺水流的目的。本文对黄山洞溢洪道平面收缩弯段的多流道设计、水力模型试验及优化和运行情况进行了简要说明，可供类似工程参考。

多流道黄山洞水库水库除险加固溢洪道

现有水库溢洪道加固时，常常遭遇弯道、扩散、收缩等平面形态复杂的泄洪流道，使水流横向环流严重、流态紊乱，形成了复杂的水力边界，增加了设计难度。多流道设计是处理溢洪道复杂平面流态段的有效措施之一，将单一的复杂流道划分为多流道，通过隔水墙的作用将流态的紊乱限制于分流道内，使得各分流道的水力条件趋于简明化，使得水流状态可控。本文将简要介绍多流道式弯道在黄山洞水库的具体运用，以供类似工程参考。

1 工程概况

黄山洞水库位于广东省博罗县石坝镇的东江支流黄山洞河上，坝址以上控制集雨面积44km2，水库距石坝镇4.2km。黄山洞水库总库容3170万m3，设计灌溉面积2.7万亩，是一座以灌溉为主、兼有防洪、发电、养殖、供水等综合利用的中型水库工程。

黄山洞水库枢纽建筑物主要有大坝、溢洪道、涵管和发电站等。大坝为粘土心墙土坝，最大坝高36.6m，坝顶宽4.8～5.5m，坝顶长186m；溢洪道全长1080m，依次为进口段、控制段、陡槽段、消能段、出水渠等，呈曲线布置；涵管为长154.1m的钢筋混凝土圆涵，内径0.9m，壁厚0.4m；坝后电站总装机825KW，分为两级，共装机5台。

2 地形条件和溢洪道总体布置25

溢洪道位于大坝右岸山体约70m的垭口处，右侧山体顺河向延伸，左侧山体垂直河流延伸，形成了“丁”字形山体；溢洪道在“丁”字的根部开挖而成，右岸坡高陡峭，开挖边坡高达30余m，左岸山坡相对平缓，开挖边坡高约10m。

受地形限制和除险加固的工程特性，溢洪道在维持现有总体布置的基础上进行了局部调整，调整后溢洪道从上至下依次仍保持为进口段、控制段、陡槽段、消能段、出水渠等部分，全长1080m。进口段长12.4m，底板高程为94.22～94.66m；控制段长27.9m，设堰控制，上、下游底板高程为94.66m；陡槽段总长度189.24m，共分为两级，一级陡槽段长28.5m，底宽从34.0m渐变为18.0m，两侧岸坡均为1:1，同时溢洪道左转17.56°，中心转弯半径350m；二级陡槽段长160.74m，为底宽18.0m的梯形断面，两侧岸坡均为1:1；溢洪道消能段长80.26m，采用分别长35m和26m的两级消力池消能；消力池后依次接护坦、海漫及出水渠，长度分别为15m、30m、325.2m。

3 溢洪道进口至弯道段的初始方案设计

3.1初始方案布置

溢洪道进口段长12.4m，底板高程为95.20～95.56m，底板纵坡为i=1/28.2；控制段长23.50m，采用顶宽34.00m的宽顶堰，堰顶高程95.56m，两侧边坡1：1.0；一级陡槽段为收缩段，长33.5m，底宽从34.0m渐变为18.0m，底板高程为95.56～85.55，底坡纵坡为i=1：3.5；收缩段后往左偏折5°接顺直段为二级陡槽，曲率半径为150m，二级陡槽长126.5m，底板高程为85.55～67.93，底坡纵坡为i=1：7；陡槽两侧岸坡均为1:1，同时溢洪道在陡槽段左转17.56°，中心转弯半径350m，拟设三道导墙将陡槽段划分为四个相对独立的分流道。

3.2初始方案的计算

溢洪道进口至转弯段形成了一个复杂的平面形态，一方面溢洪道堰后开始收缩，底宽从净宽34.0m收缩到18.0m，过流净宽束窄了47%；另一方面，泄槽转弯，转弯角17.56°，使水流状态复杂化。设置了三道导墙后，左、右岸坡平面折角产生的扰动波后水流方向将偏转与边坡方向平行，并分别向右、左分流道下游传播，扰动波分别由左、右导墙截断不进入右中、左中分流道，左、右两道扰动波之间的区域近似视为无横向环流区；中导墙将中部平顺水流再分为二，分别进入左中、右中流道；通过三道导墙抵挡扰动波的相互传播同时约束水流的横向环流，使四个分流道水流流态相对平顺。分流道进入弯道后的平顺段后重新合并为单一流道。

两岸坡平面折角产生的扰动波后水流方向将偏转与边坡方向平行，相应水深、流速也跃变；扰动波前水流可视为无横向环流的恒定流。初始方案的左、右导墙应能挡住从两岸坡平面折角产生的扰动波，使其不进入左中、右中分流道。波角、波峰后水深、流速按下列公式计算：

式中：

β1—冲击波波角；

θ—边墙偏转角或水流方向偏转角；

Fr1—起始断面弗劳德数；

h1、h2—起始断面与波峰下游断面水深；

vl、v2—起始断面与波峰下游断面流速。

由于扰动波传播长度较大，波前流速的变化不可忽略，需分段采用式（1）计算b=0、b=B/2、b=B的扰动波参数；进入左、右分流道的流量可采用辛普森积分法按下式计算：

式中：

B —分流道的宽度。

左中、右中分流道进口流态视为无横向环流的恒定流，可按进口宽度比例折算分流道的流量。

各分流道可视为恒定流，可按一元流用能量方程计算各断面的水位。经试算推演，形成导墙和分流道的初始方案，见图1。

4 水力模型试验及优化

广东省水利水电科学研究院对初始方案进行了水工模型试验。从试验结果反映，溢洪道溢流堰进口入流平顺，堰后两侧水流出现较明显的侧向收缩，对溢洪道的泄流能力产生了一定的影响，使库水位高于设计值；经导水墙调配后，偏流现象已不明显，右分流道水面较左分流道高0.3～0.4m；在陡槽转弯变坡处右分流道存在水流折冲现象。总体上，采用了多流道方案减轻了弯曲段冲击波的影响，改善了陡槽弯道段的流态。

在初始方案的基础上，广东省水利水电科学研究院对溢洪道的布置进行了优化修改。将控制段的宽顶堰改成了驼峰堰，堰前左直线导墙处的改成了半径为15m的弧形导墙，加大了溢洪道的过流能力；将右导水墙和中导水墙缩短；分流道内增设了数道高0.4m、间距6.5m的阶梯，增大了泄流的紊动和掺气，降低了陡槽面的流速，减轻了下游消能压力。推荐的溢洪道前段（进口段至多流道式弯道段）的布置见图2。