溢洪道加固设计及紊流流场特性分析

盛洋洋

（辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳110166）

溢洪道加固设计及紊流流场特性分析

盛洋洋

（辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳110166）

文中结合辽宁大伙房水库除险加固工程实例，针对主溢洪道泄流能力不足及水工结构破损严重问题，分析了溢洪道运行存在的主要问题，提出了加固改建方案，并通过数值模拟对新溢洪道方案三维紊流流场特性进行研究。结果表明，新设计溢洪道运行状态良好，满足水库在不同泄流量情况下的运行需求。

大伙房水库；溢洪道；加固改建；设计；流场特性

1 工程概况

大伙房水库位于辽宁省境内，是浑河流域上一座综合性水利枢纽工程。工程枢纽建筑物主要包括主副坝、输水洞、溢洪道、电站和取水口。溢洪道有三座，为主溢洪道和两座非常溢洪道。主溢洪道结构总宽度为52.0 m，地址在主坝右侧；型式结构为陡槽式溢洪道，闸孔数量为5个，各闸孔宽度在10.4m。溢流堰为非真空实用堰，高度为3 m，堰顶高程在125.0 m[1]。近年来，随着水库水位的变化，溢洪道泄量应在设计泄量和校核泄量下分别达到3 858.6 m3/s和4 854.36 m3/s，而原有设计泄量已不满足现阶段水库运行需求。

1.1 溢洪道运行问题

工程除险加固施工方案落实之前，对溢洪道泄流能力及水工建筑物运行性能进行重新复核。结果表明，溢洪道在高水位泄流情况下，溢洪堰水流下放出现明显的淹没出流情况，相应的溢洪堰流量流量系数发生较大的下降，通过水工模型实验亦得出同样的结果。整个溢洪道水面线出现不同程度的问题，造成现状水库运行情况下泄流建筑物与翼墙抗冲刷能力不足。水工建筑物方面，溢洪道闸墩、边墙等混凝土结构裂缝发育程度较高，混凝土结构抗压强度偏低，表层混凝土普遍剥蚀、脱落以及部分钢筋外露情况，不满足严寒地区水工混凝土使用标准。与此同时，相应附属配套设施也达不到现状洪水条件下的使用要求，如闸门缘底高程偏低、启闭机能力不足等。

2 加固改建设计

考虑工程地质条件及场地布置情况，设计主溢洪道仍沿着原轴线布置，对原有溢洪道结构部分进行保留，但需对结构高程或混凝土结构进行调整。保持溢洪道堰体、引水段、陡槽段等结构边墙与底板位置不变，增加结构高程。溢洪道主要加固改建措施主要包括以下几个方面：

1）通过预裂爆破方式将原重力式挡土墙基础结构除去0.5m，并在其上重新浇筑混凝土，新挡土墙结构墙顶高程141.5m。

2）除去桩号0+54.56～0+82.28段陡槽底板，并重新浇筑混凝土，新浇筑混凝土坡度控制在0.055 22，厚度为1 m。为保证浇筑混凝土的稳定性，通过施加锚筋方式进行加固。拆除溢洪道闸墩及其上构筑物，并按照新设计方案进行重建。

3）全部拆掉陡槽段边墙，新建边墙仍采用复式过流断面，但需增加边墙墙顶高程，各桩号高程增加值如表1所示。为避免水流冲刷破坏边墙底板结构，采用抗冲混凝土进行处理，并用混凝土对边墙两侧山体进行护砌[2-3]。

表1 边墙高程设计值

4）溢洪道闸孔数量仍保持5个，结合溢洪道错峰挡水位情况，将闸门规格改为10.4 m×8.7 m。新溢洪道工程堰顶高程与溢流堰高度分别为125 m、3.0 m，溢流堰结构尺寸宽度调整为60 m。新建4个闸墩厚度为2 m，将工作桥设置在闸墩下游，工作桥左右两端分别连接坝顶公路与检修桥。鉴于原有闸门缘底高程与支铰高程不足，调整高程分别为为137.0 m和131.5 m。

3 紊流流场特性模拟分析

溢洪道水流流态模拟运用VOF方法，计算模型选择RNGK-ε，采用流体模拟软件对新设计溢洪道流场特性进行分析[4-5]。结合大伙房水库运行水位需求，模拟水位高程在128 m、131 m、134 m、138 m和140 m情况下的溢洪道泄流量情况。

3.1 水面高程变化

自由水面是水库设计中的重要参考依据，同时也是水库管理维护的重要指标。模拟中参考水库新水位变化，分析了溢洪道在5 000m3/s和3 000m3/s两种泄流量条件下的水面线变化情况。分析不同泄流量下的水位线变化曲线可知，溢洪道水面高程变化较为合理，并且两种泄流量溢洪道水面线变化趋势基本一致，与物理实验结果极为相似。溢洪道进水口位置的水位线变化波动较为严重，此处水流情况较为复杂。收缩段水面出现一定程度的壅高，这与实际情况十分接近。虽然模拟进水口水面存在一定的误差，但堰顶和泄槽内水面结果较为准确，能够反映加固改建后溢洪道的水面高程变化特性。

3.2 堰面压力情况

不同泄流量条件下溢流堰堰面压力水头变化如图1所示。溢流堰堰面压力水头变化曲线整体呈一种反向的抛物线，压力水头变化先减小至一定值后逐渐增加。压力水头最小处发生在溢流堰最高点，约在距离溢流堰起点6 m位置。压力水头值在，并没有出现负压力水头情况。溢洪道闸孔数量为5个，呈对称分布，溢流堰两侧闸孔压力水头分布情况十分接近，并且中间闸孔的堰面压力水头要小于两侧闸孔。在泄流量较小的情况下，溢洪道个闸孔压力变化基本吻合，数值大小也较为接近，而随着泄流量的增加，两侧压力值会逐渐增加。

图1 不同泄流量溢流堰面压力情况

3.3 断面流速

模拟中选取溢洪道两个典型断面的流速情况，分别取上游断面0+130和下游断面0+290，得到不同泄流量条件下断面速度，其结果如表2所示。分析表中数据可知，上游平均断面流速小于下游，陡槽坡度的变化使得溢洪道水流断面流速自上游向下游逐渐增加。随着溢洪道泄流量的增加，断面流速亦逐渐增加，并且上游流速增加值要超过下游，符合断面流速变化设计要求。

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