佛寺水库除险加固工程溢流堰泄流能力试验研究

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

1 工程概况

辽宁省佛寺水库位于阜新蒙古族自治县境内，细河支流伊马图河中下游，始建于1976年，1984年建成运行，设计总库容1.45亿m3，是一座具有防洪、供水、养鱼等综合效益的大(2)型水利工程。水库永久性挡水和泄水建筑物按100年一遇洪水标准设计，2000年一遇洪水标准校核，消能防冲建筑物为50年一遇洪水标准，承担保护下游阜新地区和锦州义县部分城区23 万亩耕地和20 万人口生命财产安全。由于受当时建设资金和技术水平的影响，水库一直处于带病运行状态，经鉴定为“三类坝”。为保障下游地区人民生命和财产安全，2016年开始对该水库进行除险加固工程建设，并对溢洪道控制段闸室进行拆除重建。

佛寺水库溢洪道为开敞式，位于主坝右岸，主要包括进水渠、控制段、泄槽、差动式挑流鼻坎、冲刷坑及出水渠。控制段采用开敞式溢流堰，为WES实用堰，堰顶高程136.00m，堰高1.0m；闸室长16m，宽45.3m，按4孔布置，单孔宽9.0m，闸顶高程148.66m；各孔设平板工作闸门(9.0m×4.5m)和检修闸门(9.0m×5.5m)，工作闸门设计挡水水位为140.00m，闸后设渐变段，长42.0m，纵坡0.02，详见图1。

图1 溢洪道平面布置示意

2 溢流堰设计泄流能力计算

本工程溢流堰原型设计泄流能力主要依据《溢洪道设计规范》(SL253—2000)中开敞式WES型实用堰泄流能力经验公式计算，其中流量系数m、上游堰面坡度影响修正系数c、中墩形状系数ζ0、边墩形状系数ζk、淹没系数σs等根据经验确定，详见公式(1)和公式(2)。经计算，设计洪水位时，溢流堰最大泄量为1492.43m3/s，校核洪水位时，最大泄量为2634.49m3/s。不同静水位泄流量详见表1。

(1)

(2)

式中Q——流量，m3/s；

B——溢流堰总净宽，m；

b——单孔宽度，m；

n——闸孔数目；

H0——计入行进流速的堰上总水头，m；

m——流量系数，查流量系数表确定；

c——上游堰面坡度影响修正系数，取1.0；

ε—闸墩侧收缩系数；

ζ0——中墩形状系数，取0.45；

ζk——边墩形状系数，取0.7；

σs——淹没系数。

3 物理模型试验方案

为使模型与原型的物理量和物理现象保持相似，按照水工模型试验相似准则要求，本试验选用整体模型，采用正态恒定流模拟。模拟原型范围：纵向长度1200m，其中主坝轴线以上550m，以下650m，横向宽度1260m，地形高程123.11～167.97m。模型地形高程误差±2mm，建筑物高程误差-0.05～0.1mm，符合《水工(常规)模型试验规程》(SL/T155—2012)中相关规定。

依据重力相似准则及原型设计最大泄量，并结合试验场地和设备供水能力，确定本试验长度比尺Lr为50，其他物理量比尺见下页表2。

4 物理模型试验成果分析

4.1 库区静水位和溢流堰泄流量关系

为保证观测成果精度，本次试验按流量划分为17组进行观测，库区静水位(Z)和溢流堰泄流量(Q)观测成果，详见表3。经回归分析，得出Z～Q回归方程，方程确定系数为0.9992，接近于1，说明拟合优度较高，详见公式(3)。Z～Q回归方程：

Z=-0.00000051Q2+ 0.00539266Q+ 137.17 (3)

4.2 综合流量系数分析

根据原型设计和试验观测成果分析计算，溢流堰综合流量系数随着水位的降低和流量的减小而增大，综合流量系数变化范围在0.401～0.428区间，其中溢流堰泄量1492.43m3/s时，综合流量系数为0.407。综合流量系数按公式(4)推求。

(4)

式中m——综合流量系数(含侧收缩系数、淹没系数及流量系数)；

Q——流量，m3/s；

B——闸室净宽，取36m；

H——堰上水头。

5 物理模型试验值与设计值对比分析

根据本次试验成果，当设计洪水水位143.82m时，溢流堰泄流能力为1314.95m3/s，小于设计值1492.43m3/s，试验值与设计值相差-11.89%；当校核洪水水位147.83m时，溢流堰泄流能力为2499.52m3/s，小于设计值2634.49m3/s，试验值与设计值相差-5.12%。详见表4和图2。

表4 辽宁省佛寺水库溢流堰泄流量物理模型试验值与设计值对比分析

图2 试验值与设计值Z～Q关系曲线对比

6 泄流能力不足原因分析及解决方案

根据能量守恒定律、佛寺水库溢洪道布置以及试验观测成果，造成佛寺水库溢流堰泄流能力不足原因主要有：ⓐ溢流堰设计尺寸略有不足。根据公式(1)和公式(2)可知，溢流堰总净宽(B)和堰上总水头(H0)是影响泄流能力的主导因子。佛寺水库共设4个溢流孔，单孔宽度为9.0m，总净宽为36.0m，堰高1m。工程设计中适当增加溢流堰净宽或降低溢流堰高度，可提高泄流能力。ⓑ溢洪道进水渠水流不均匀。受自然条件影响，佛寺水库溢洪道进水渠左右岸不对称，进水渠左、右岸易产生离散水流，且随着流量增加，离散愈加剧烈，并在进水渠左岸伴随产生明显的水位降落现象，右岸产生壅水现象。试验表明：当836.0m3/s≤Q≤1590.99m3/s时，进水渠左侧圆弧段产生离散水流，右侧水流条件较好；当1590.99m3/s

7 结 语

通过建立物理模型并进行观测分析，佛寺水库溢流堰在设计洪水水位143.82m时，泄流能力为1314.95m3/s，在校核洪水水位147.83m时，泄流能力为2499.52m3/s，综合流量系数变化范围为0.401～0.428。不同洪水位，溢流堰泄流能力试验值均小于设计值，泄流能力未达到设计值，其原因主要为溢流堰设计尺寸略有不足，进水渠两岸离散水流和右侧壅水较为严重，导致流量系数偏小，溢流能力下降。工程设计中，可采取适当增加溢流堰净宽或降低溢流堰高度、优化和改进进水渠型式，改善水流条件等措施提高泄流能力。