侧槽式溢洪道水力特性模型试验研究

杜跃亭 叶 龙1 宋炳忠

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020)

侧槽溢洪道是一种傍山开挖的泄水建筑物，宜修建在山坡较陡，又无足够场地来修建正槽溢洪道的场所[1]。溢洪道泄洪时受侧槽长度、宽度、底高程、底坡降等多因素影响，槽内水动力条件复杂，容易形成不良水流形态，可能会对行洪安全带来不利影响。从流体力学角度看，在较高流速条件下，变坡容易导致水流脱离泄槽底板，并在下游侧形成空腔，引发汽蚀。参照相关计算公式[2]，泄槽末端及挑流鼻坎附近流速可达30m/s以上，极易发生汽蚀现象，影响建筑物寿命及工程运行安全。

为确保工程安全，有必要通过水工模型试验，对溢洪道的泄槽规模、平面布置、下游消能等各项水力学问题开展研究，提出适合本工程的最佳泄洪方式，为同类型的工程设计提供科学的参考依据。

1 工程概况

景宁县金村水库坝高超过90m，泄洪水头差大，现状地形复杂，同时坝址处山谷狭长，属于典型的“峡谷型”水库。工程由挡水建筑物、泄水建筑物、输水系统(进水口、隧洞及压力管道)、放水建筑物(生态放空管)等组成。

挡水建筑物采用混凝土面板堆石坝，水库正常蓄水位318.00m，正常库容773.8万m3；校核洪水位322.18m，校核洪水标准1000年一遇，总库容905.4万m3，本工程等别为Ⅳ等，水库为小(1)型水库。鉴于水库拦河坝采用混凝土面板堆石坝，坝高超过90m，本次设计将拦河坝建筑物级别提高一级，按3级建筑物设计[3]。

泄水建筑物紧靠堆石坝左坝端布置，拟采用侧槽式溢洪道，为正堰与侧堰相结合的“L”形布置，侧槽式溢洪道由侧槽段、控制段、渐变段、泄槽段和挑流消能段5部分组成。初拟侧槽起始断面底宽6.0m，侧堰长度38.5m，正堰长度15.5m，堰总长54m，正堰与侧堰夹角为90°，控制段长30m，比降0.03，调整段长度20m。溢洪道100年一遇校核洪水洪峰流量522m3/s，50年一遇设计洪峰流量328m3/s，30年一遇消能设计流量300m3/s。

输水系统位于水库左侧，进水口布置在坝址上游左岸，总长10.0km，隧洞全长9.2km、压力管道0.8km。

放水建筑物由生态放空管与导流隧洞组成，导流隧洞采用城门洞形，洞高5m，洞宽4.0m，隧洞长度248.0m；导流放空管埋设在导流隧洞内，采用直径为0.8m的钢管。水库工程总平面布置见图1。

图1 水库工程总平面布置图

2 水工模型试验设计

2.1 水流运动相似

根据相关要求[4-6]，考虑研究对象特点、研究目的及内容，结合模型流量、水深、流速及相似率等相关水力参数，模型几何比尺定为1∶40，按照重力相似准则设计，见式(1)。

(1)

式中v——水流速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

h——水深，m；

Fr——弗劳德数。

有关物理量的比尺换算关系见表1。

表1 相关模型比尺

2.2 模型范围

模型上游库区模拟至坝轴线以上200m附近，模拟的建筑物包括大坝(邻近溢洪道部分的上游面)、溢洪道侧堰及其堰前地形等；模型下游则模拟至溢洪道出口以下350m附近河道，包含了泄槽段、挑流鼻坎或消力池以及护坦段等关键建筑物。模型整体长约20m，宽约5m，高约2.6m。

本次试验观测内容包括流量、流速分布和流态、上下游水位、沿程水深和压力、掺气量、掺气浓度等，通过对以上因素的观测、对比与分析，为工程比选出最为适合的溢洪道布置方案。

3 原模型试验方案

3.1 方案布置

溢流堰布置方案设置见表2，“L”形和“I”形堰平面布置见图2～图3。

表2 溢流堰布置方案设置

图2 “L”形溢洪道方案注 图中单位高程、桩号以m计，其他以cm计，余同

图3 “I”形堰平面布置

3.2 泄流能力

溢洪道进口采用开敞式溢流堰，其型式为WES实用堰，泄流能力按堰流公式计算：

式中Q——下泄流量,m3/s；

σc——侧收缩系数，取1.0；

m——流量系数，保守计取0.46；

B——溢流堰净宽,m，计算时以侧槽控制段长度30m计；

H0——堰上水头,m。

试验量测了“L”形堰及“I”形堰两种布置方案在不同水位下的泄流能力，其水位流量关系成果见表3。

总体来说，通过对设计数位的控制，两种布置方案的实测泄流能力均超过了设计计算值，其中“L”形堰方案富余量明显超过“I”形堰方案，后者则与设计值相对较为接近。考虑“L”形堰方案泄流能力较设计值富余甚多，若按该水位进行控制并开展试验，得到的试验成果对于下阶段设计和今后控制运行的参考意义不大，经过讨论，“L”形堰方案的上游控制条件采用设计计算的下泄流量值。而“I”形堰方案的试验泄流能力与设计值较为接近，上游边界条件仍按试验实测的流量进行控制，试验工况见表4，本文以下所述的水流流态及流速分布、泄槽压力值、消能试验均采用该表格参数。

表3 不同工况泄流能力比较

表4 模型试验工况

3.3 侧槽水流流态及流速分布

试验对“L”形堰和“I”形堰方案的校核(P=0.1%)、设计(P=2%)、消能(P=3.3%)及5年一遇(P=20%)四组工况的沿程水流流态及流速分布进行了观测，通过分别对溢流堰段、调整段、泄槽段进行分析，两种溢洪道方案的沿程流态和流速分布主要具有以下特点：

a.校核工况时，“L”形堰方案槽首断面的淹没度为0.63，侧槽方案首端断面的淹没度为0.83，均超过规范要求的0.5；其次，“L”形堰方案在下泄设计工况以下流量时，出现远驱式急流流态，与规范要求的“槽内应为缓流，侧槽内不得产生水跃”不符，因此，两种方案均不符合规范要求，侧槽内流态见图4。

图4 消能工况侧槽水流流态

b. “I”形溢流堰方案水流漩滚影响范围及左岸边墙的水位爬高明显大于“L”形堰方案，其中“L”形方案最远影响至调整段末端Y0+050.0，而侧槽方案可至陡槽段的Y0+070.0位置。至泄槽下游段后，两组方案的流速分布均趋于均匀，槽内无明显冲击波及折冲水流出现，断面水深分布也较均匀，槽末断面最大流速达到30m/s以上。因此，从水流流态及流速分布上看，“L”形堰及“I”形堰方案均不满足规范要求，经初步分析，笔者认为主要原因为侧槽深度或宽度不足，从而导致槽内产生急流段或淹没出流。从泄水建筑物的安全方面考虑，初步选定“L”形侧槽溢流堰方案为推荐方案。

3.4 泄槽压力值分布

为了解陡槽在高速水流影响下是否会产生负压和汽蚀破坏，试验在挑流方案的陡槽中心线上布置了11个测压孔，测压孔位置布置详见表5，泄槽沿程水压力详见图5。

表5 测压孔位置

图5 溢洪道泄槽沿程水压力

图6 溢洪道泄槽沿程空化系数

由图5、6表明，溢洪道泄槽沿程水压力随库区水位的增加而逐渐增加，并在挑流鼻坎最低点(测点10)出现极值；在不同工况下，泄槽沿程空化数约为0.20～4.71，而溢洪道按不平整度控制的初生空化数为0.32，因此桩号Y0+138.90和桩号Y0+171.60均有可能产生空化及汽蚀破坏。建议在陡槽桩号Y0+138.90以下位置上加设掺气等设施，或者采用特殊材料并严格控制溢洪道不平整度，以防止空化汽蚀发生。

4 结 语

借助于室内水工模型试验，通过对溢洪道泄流能力、水流流态、泄槽沿程压力分布及消能工型式等方面的分析，原布置方案主要存在以下问题：

a.侧槽内底板高程过高，校核工况时，“L”形堰及“I”形堰方案槽首断面的淹没度均超出规范要求。

b.正堰来流量过大，侧堰与正堰来流顶托作用过强致使调整段末端水面翻滚剧烈，流态紊乱。

c.泄槽段水流空化数普遍低于规范要求，泄槽表面易产生汽蚀破坏。

d.挑流消能时部分水舌砸落在下游河道的左岸岸坡，并沿山体爬高，容易影响附近山体稳定。

针对上述问题，经过文献查询和向相关专家咨询，在溢流堰仍采用正堰与侧堰相结合的“L”形堰布置形式。消能方式在采用挑流消能方式的基础上，对侧堰与正堰的布设、侧槽深度及掺气减饰等方面进行如下优化：

a.通过降低侧槽底板高程，优化溢流堰布置型式和尺寸，降低侧槽首端断面淹没度并改善侧槽内水流流态。

b.通过增加调整段的长度或设置底坎等方式，优化调整段末端流态。

c.通过增加掺气减蚀设施，解决泄槽段空化数过低问题。

d.为节约时间，优化试验方案，首先采用Flow3D三维数值模拟软件对溢流堰布置进行了多方案比较，通过数值模拟，比选出推荐方案，然后进一步通过物理模型进行验证。