某溢洪道模型试验优化研究

2017-06-22魏春雯杨芳芳

治淮 2017年6期

关键词：沿程溢洪道流速

魏春雯杨芳芳

（河南省沁阳市水利局沁阳 454550 河南岳海水利工程有限公司郑州 450016）

某溢洪道模型试验优化研究

魏春雯杨芳芳

（河南省沁阳市水利局沁阳 454550 河南岳海水利工程有限公司郑州 450016）

某水利枢纽大坝为面板堆石坝，泄水建筑物为右岸溢洪道。按设计单位提供的溢洪道参数，进行溢洪道模型试验。结果表明，水流经挑坎形成的水舌击打到河道右岸的山体上落入河道，危及坝体安全。因此，对溢洪道重新进行优化设计，为设计提供指导，保证枢纽安全、稳定运行。

溢洪道模型试验优化设计安全

1 工程概况

某水利工程等别为Ⅱ等，其主要建筑物有大坝、溢洪道、放水洞、副坝等组成，建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。水库总库容1.66×109m3，兴利库容1.1×109m3，生态基流为0.9m3/s，灌溉面积为14.56万亩。

2 模型设计及制作

（1）模型按重力相似准则设计，模型比尺为1∶30正态模型，各物理量的比尺如下：

长度比尺：λL=30

流速比尺：λV=λL0.5=5.48

流量比尺：λQ=λL2.5=4930

糙率比尺：λn=λL1/6=1.76

已知混凝土的糙率：n＝0.014，则模型糙率nm=n/λn= 0.0080，再由以往研究结果知道，有机玻璃制作的模型糙率n约为0.0079～0.0081，满足糙率相似要求。

（2）用有机玻璃制作溢洪道模型，便于拆卸，易于优化组装，满足试验要求。

（3）模型制作符合《水工（常规）模型试验规程》（SL155 -2012）要求。

在模型制作过程中，对控制断面和主要建筑物等进行了精心制作、校正。溢洪道沿程布置测压管，测量其压力分布情况。

3 设计方案试验成果

溢洪道模型安装完毕后，根据设计单位提供的工况表，选择校核和正常两个进行了试验，以检验设计方案的合理性及根据试验成果对设计方案提出合理性建议和修改，以使设计最终满足要求。

溢洪道泄流能力试验结果如表1，溢洪道库区水位～流量关系曲线见图1，水位～流量系数关系见图2，其中流量系数m的计算公式为：

式中：b为溢流堰进口宽度，11m；H为堰顶水头，H=ZH0（m），其中：Z为库水位，H0为堰顶高程，416.5m。

试验可知，流量系数随着库区水位的增加而逐渐减小。在设计工况下，溢洪道的泄流能力900m3/s；在校核工况下，溢洪道的泄流能力约为1100m3/s。

试验结果表明：设计工况、校核工况下，在引水渠段，水流总体比较平稳；在挑流鼻砍段，水流经挑坎形成的水舌击打到河道右岸的山体上落入河道。因此，溢洪道挑流鼻坎应该进行模型优化设计。

4 模型优化设计

优化溢洪道体型，并且对优化后的体型进行了工况试验。试验工况见表2。

4.1 溢洪道泄流能力

根据试验结果表3和图3，随着库区水位的增加，流量系数略有所减小，基本可看作常数0.447。根据优化试验结果，在设计工况，溢洪道的泄流能力约为880m3/s；在校核工况时，溢洪道的泄流能力约为1200m3/s，设计泄流能力为1000m3/s。溢洪道的实际泄流能力约比设计值大20%，超泄200m3/s，完全满足设计要求。

4.2 水流流态

表1 水位～流量对应关系表

图1 溢洪道水位～流量关系曲线图

图2 水位～流量系数关系曲线图

图3 优化后溢洪道水位～流量关系曲线图

表2 模型试验优化工况表

表3 溢洪道泄流能力试验结果表

图4 优化方案I，P=50%工况，下游岸边流速图

试验结果表明，在表2中的三个工况，溢洪道各部位流态较好。溢洪道实际泄流量最大的校核工况和泄流量最小的P=5%工况，这两个工况下溢洪道沿程无不良流态出现，溢洪道出口挑坎在200m3/s时仍能顺利起挑（两年一遇洪水，泄流量约为370m3/s），此时对应的闸门开度约为1.65m，但由于此时泄洪放空洞全开，因此下游水位较高，溢洪道水舌进入了下游河道的水体内，其他小洪水工况，由于泄洪放空洞关闭，下游水位较低，根据两年一遇洪水时的水舌情况，建议实际运行时溢洪道闸门最小开度3m，可采用分时段开启的方式泄洪。

4.3 水深及流速

根据实测结果，溢洪道沿程水深在堰顶最大，校核工况时约为7.8m，沿程逐渐减小，在挑坎的反弧底部达到最小，因挑坎出口高程的增加，流速减小，水深略有所增加。

对于具体工况，根据泄流量，可算得闸门处的断面平均流速，采用能量方程，可算得溢洪道沿程的流速分布，表4为各工况下计算的沿程流速。根据计算结果，溢洪道沿程的最大流速约为35m/s，出现在反弧段底部。各工况下溢洪道流速在桩号280m（高程约为365m）以后大于30m/s，易发生空化空蚀。

将测试结果绘制流速矢量图如图4。