消除溢洪道堰后水流冲击波的方案研究

陆 素 洁， 张 萍

(华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014)

1 概 述

岸边式泄水建筑物多用于土石坝水利枢纽中，在多种型式的岸边式溢洪道中，开敞式溢洪道以其具有较大的超泄能力、检修方便、地形适应性好等特点被广泛应用。该布置型式，通常在控制段后面使用过渡段，以便将堰体与窄深的泄槽平顺地连接起来，过渡段呈平面缩窄式，边墙随之发生偏转，泄槽中水流受边墙偏转的影响，极易形成冲击波。

在传统的设计方法中，一般合理控制收缩段的长度及角度，使引起冲击波的高度最小，并尽量减少或消除收缩段以下泄槽中水流的扰动。在地形条件有限，或为减小工程量，收缩段长度无法满足传统要求时，如何消除冲击波是类似溢洪道设计中常见的难题。以下将通过某电站溢洪道模型试验成果，研究改善收缩段水流流态的措施。

2 某电站溢洪道设计与优化

2.1 原溢洪道设计方案

某电站泄水建筑物采用岸边开敞式正槽溢洪道，自由溢流，布置于右岸坝头，全长约273 m。溢洪道由溢流堰、调整段、陡槽段和挑流鼻坎等结构组成。为减少开挖及混凝土工程量，同时又满足溢洪道泄流能力要求，溢流堰宽度设为30 m，堰后通过40 m长调整段进行平面收缩，将过水断面宽度由控制段30m收缩至泄槽段10 m。泄槽段采用矩形断面，槽底纵坡1∶1.88，槽底板厚80 cm。出口采用挑流消能型式。溢洪道平面及剖面示意图见图1。

图1 溢洪道平面及剖面布置简图

2.2 模型设计

模型按重力相似准则设计。根据试验要求，采用模型比尺λL=45，相应

水深比尺λH=40

流速比尺λV=400.5=6.32

流量比尺λQ=402.5=10 119.29

压强比尺λp/γ=40

糙率比尺 λn=401/6=1.849

溢洪道及泄洪洞等泄水建筑物模型全部用有机玻璃制作，尺寸误差小于0.3 mm，安装高程误差小于0.3 mm。有机玻璃糙率为0.0075左右，相当于原型0.014左右。库区模拟范围至坝轴线上游约700 m处，溢洪道下游河道模拟长度约450 m。

试验工况见表1。

2.3 原溢洪道调整段模型试验成果

在各种试验工况下，溢洪道进口前来流平顺，过堰水流为自由堰流，受调整段平面收缩的影响，水流在调整段内形成冲击波。图2为P=1%时，溢流堰内的水流流态。

表1 试验工况

图2 调整段水流流态(P=1%)

冲击波处过水断面上的流速和压力分布不均匀，并派生脉动，有可能损坏地板衬砌，因此，有必要在结构设计上进行优化，消除冲击波，使水流平顺进入泄槽。

2.4 溢洪道调整段设计方案优化

为优化调整段内的水流流态，应优化调整段设计，以下介绍两种优化方案：

方案一：采用传统方法加长调整段，减小边墙偏转角θ；

方案二：调整段末端设混凝土坎，使溢流堰与泄槽间形成一定长度的“消力池”结构，对进入泄槽前的水流起调节作用。

(1)方案一

为确定收缩调整段的长度，可通过以下简化公式试算求得边墙偏转角θ：

sin(β-θ)=1/Fr1

式中符号意义如图3所示。

通过上式试算求得，P=0.05%工况下，边墙偏转角θ=8°。由此可知，收缩段长度L=71 m。

(2)方案二

为优化调整段内的水流流态，拟在调整段末端设混凝土坎，混凝土坎上游面为圆弧倒角，使水流平顺进入下游泄槽。消力池长度及消力坎高度根据水力计算确定，保证过堰水流为自由堰流，且在消力池内形成淹没水跃。消力池长度与消力坎坎高计算采用如下公式：

图3

图4

为了使消力池内产生淹没度不大的水跃，坎前水深hT应为：

hT=c+H1

式中c为坎高；H1为坎顶水头。

联解上面两式，可得到计算坎高为：

消力池池长取池内水跃跃长的0.8倍，池内水跃跃长Lj按下式计算：

Lj=10.8hc(Frc-1)0.93

应计算所有工况下的池内水跃跃长，取其中的最大值来计算消力池池长。

由上式计算取调整段L=40 m，坎高C=2.0 m。

(3)优化后的溢洪道设计方案

经以上两种方法计算可知，方案二的调整段长度较方案二明显缩短，具有明显优势，拟选用方案二作为消除溢洪道调整段冲击波的优化方案。

调整段宽度由30 m过渡至10 m，过渡段长40 m。消力池调整段末端设2 m高的消力坎，其上游面设R=50 cm的圆弧倒角，坎顶宽约0.84 m。调整段底板高程为246.52 m，底板厚0.8 m，通过锚筋与基岩锚固。

图5 优化后溢洪道调整段结构示意图

2.4 优化后溢洪道模型试验成果

在各种试验工况下，溢洪道进口前来流平顺，过堰水流为自由堰流，在消力池内形成淹没水跃，在P=1%和P=0.05%工况下，实测消力池内最大水深分别为8.92 m和6.16 m，出池水流至泄槽内，水面线平顺，未发现明显的跌落现象，见图6和图7。

图6 优化后调整段水流流态(P=1%)

3 结 语

图7 溢洪道进口水流流态(P=0.05%)

该电站溢洪道在模型试验基础上，进行了结构优化与调整，调整所取得的有益效果是：

(1)溢洪道进口前来流平顺，过堰水流为自由堰流，在消力池内形成淹没水跃，有效消除了堰后冲击波对底板、边墙等结构造成的不利影响。

(2)消力池末端至泄槽连接段，水面线平顺，泄槽水面波动现象消除。

(3)加大了调整段收缩角，有效缩短调整段长度，减少了开挖及混凝土工程量，节约投资。

(4)施工十分简单、方便，与底板整体浇筑，运行安全可靠。为类似溢洪道工程的设计提供了消除水流冲击波的有效措施和经验借鉴。

参考文献：

[1] 石教豪.孟仲华.田士豪.雷川华 冲击波机理在边墙设计中的应用[J] 中国农村水利水电，2006(7) 64-66;

[2] 武汉水利电力学院.王宏硕.翁情达 水工建筑物专题部分[M].水利电力出版社.