多弯道溢洪道水力特性研究

2014-09-19曲大力

东北水利水电 2014年8期

曲大力

（松辽水利委员会，吉林长春 130021）

龙屯水库库容为 1.15×108m3，为大（2）型水库。龙屯水库溢洪道的弯道有三处，沿泄流方向转角分别为顺时针45°，逆时针3.97°和顺时针10.67°。龙屯水库溢洪道除险加固工程中，工程设计单位将溢洪道布置为弯曲溢洪道是依托有利地形，避免深挖，将其布置在稳定的地基上，并考虑到岩体结构特征和地质构造以及水文地质条件对溢洪道及边坡稳定的不利影响。

1 水工模型

1.1 模型设计

设计方案溢洪道为4孔敞泄式溢洪道，单孔净宽为10.0 m，泄流总净宽为40.0 m，堰型为驼峰堰，溢洪道控制段后接弯道段，弯道段出口接一级综合式消力池，池长35.0 m，池深2.8 m，消力坎高1.0 m，一级消力池接陡槽段，陡槽全长520 m，宽46 m，二级消力池为综合式消力池，池深3 m，长40 m，消力坎高1 m。

根据试验任务要求，模型按重力相似准则设计[3]，选几何比尺为1∶50的正态定床清水模型进行试验研究。根据重力相似准则所得出的模型比尺见表1。

表1 模型试验比尺

1.2 模型制作

根据相似比尺和模型试验任务要求，模型模拟桩号0+0.00以上120 m，铅丝石笼下游100 m（桩号为0+804处）的地形，整个模型包括上游稳水池，平水溢流设施，300 m的库区河道，溢洪道以及铅丝石笼下游至0+804 m断面的下游河道，量水堰等部分，模型占地约30 m×15 m。

库区及下游河道地形根据设计提供的1∶1000地形图，按断面模板法制作，模板间隔50 cm，相当于原型25 m，整个地形均用水泥砂浆制作。

泄水建筑物中溢流堰、控制闸门、陡槽溢洪道、两级消力池、护坦部分均采用有机玻璃制作，铅丝石笼部分铺设大粒径砂石。

1.3 数据采集与处理

流量采用薄壁堰量测。对于较大流量采用90 cm宽的矩形等宽薄壁堰量测，较小流量采用90 cm宽的直角三角形薄壁堰量测，堰高均为30 cm，其堰上水头采用水位测针量测。

库水位用设在库内的旁通管量测，沿程各断面水位采用水位测针量测，各点压强采用测压管量测，流速采用智能微型旋浆流速仪量测。

2 试验结果及分析

2.1 水位与泄流量

通过模型试验实测了泄洪闸1孔、2孔、3孔及4孔全开时的水位与泄流量关系，相应的水位与泄流量关系曲线见图1、图2。

图1 闸门开启1～3孔时实测水位与流量关系

图2 实测与设计闸门4孔全开时水位与流量关系

由图可知，水位与泄流量近似呈线性关系，并且水位相同时，实测流量略大于设计流量。如50年一遇洪水时，库水位为74.22 m，设计流量为1419 m3/s，实测值为1624.94 m3/s，其过流量已超过100年一遇洪水的泄流量1613 m3/s，库水位在68.71～75.27 m之间时，相应流量为38.077～1867.44 m3/s。试验结果表明，原设计驼峰堰的泄流量满足设计要求。

2.2 水流流态特征

2.2.1 堰后水流流态

50年一遇、100年一遇洪水情况下，4孔闸门全部开启后，闸后水流流态特征为：水流流经驼峰堰，形成堰流，过堰水流在重力作用下自由下泄，流线收缩，水面产生跌落。墩后受水流冲击波交汇的作用，在桩号0+270前形成菱形波面，闸墩后有漩涡，水位较低，水流交汇处及两岸边壁水位较高，在0+250断面中心线处水面达到最高点。尤其是100年一遇洪水时，菱形波更加明显，起伏也较大，由于大坡降的作用，过堰水流流速也不断加大。

2.2.2 弯道段的水流流态

溢洪道最大的弯道段在桩号0+250～0+332.47之间，50年一遇洪水弯道段水流流态特征为：

弯道水流由于受到重力和离心惯性力的共同作用，自由水面的平衡状态遭到破坏，使得自由液面凹岸高，凸岸低，消力池呈现不对称入流。同时由于下游消力池水流的顶托作用，使消力池内部淹没水跃向上游移动，水跃头部位于0+280断面处，凸岸水面有回流，在0+310～0+330断面之间形成竖向漩滚。在弯道段，水面低于两岸边墙。

2.2.3 消力池内水流流态

试验观测了溢洪道50年一遇洪水一级消力池、二级消力池内的水流流态特征。由于上游水流能量不太大，一级消力池内形成淹没水跃，跃前断面位于消力池进口上游0+280断面处。由于上游弯道水流影响，一级消力池内主流仍偏向左岸，消力池尾坎阻挡使池内左岸产生涌浪，水面明显高于右岸，水流间歇性涌出左岸边墙。左岸主流受消力坎阻挡，沿消力池末端向右岸回流，形成竖向漩滚，而沿消力池底板由左向右流动的水流，受右岸边墙阻挡，靠近右岸边墙形成纵向漩滚。在消力池末端，水面高过边墙顶部，水流溢出。

在50年一遇洪水时，泄槽下游二级消力池水流流态特征为：经一级消力池末端流出的水流主流偏向左岸，经光滑溢洪道折冲后仍偏向左岸，在消力池内形成淹没水跃，跃前断面位于桩号0+610处，水跃表面漩滚靠近左岸。右岸回流形成竖向漩滚，靠近右岸边壁则形成纵向漩滚。之后水流沿坎顶溢出，水流湍急而紊乱，水花剧烈翻滚，对下游将造成严重冲刷破坏。

2.3 水面曲线

试验分别沿溢洪道中心线、左边墙及右边墙在桩号0+210 m，0+230 m，0+250 m，等25个断面对水面高程进行量测。

试验得出：由于离心力的作用，溢洪道下泄水流在弯道处产生急流冲击波，使主流偏向凹岸。流经光滑泄槽时，形成两股水流，这两股水流相互作用，主流扩散折冲转向，使水面形成斜向波浪，在溢洪道末端主流仍位于左岸。

由测量数据知50年及100年一遇洪水时，一级消力池0+395.00断面左岸，二级消力池0+634.4断面左岸和0+650断面右岸，水面高程略高于设计边墙顶部，边墙高度不满足要求，修建时需要相应的加高。

2.4 沿程压力分布

试验中对溢洪道底板压力的测量采用测压管量测，测点沿溢洪道底板中心线布置，全程共66个测点。经测量，50年、100年一遇洪水时，沿程各测点压强水头平均值大于0，无负压，产生空蚀的可能性极小。

2.5 流速分布

试验测量了溢洪道各断面速度值，得出：断面0+210至0+250流速趋于均匀分布，两岸速度值近似相等。进入弯道后，由于水流受离心力作用，主流偏向凹岸，左岸速度值明显大于右岸。光滑泄槽内由于水流折冲转向，断面流速分布左右极不均匀，主流所在一侧速度值较大，另一侧速度值较小。如0+410断面至0+470断面及0+550断面至0+610断面，左岸速度值较大，而右岸流速较小。由于冲击波的影响，上下游两级消力池内流速分布左右极不均匀，呈现出沿左岸流速较大，中部及右岸流速相对较小的情况。