田家湾水库除险加固溢洪道导流墙水工模型试验

张力鹏

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司,山西 太原 030000）

1 前言

田家湾水库地处山西晋中榆次区城北田家湾村,水库所在流域为汾河流域涧河中游,水库控制流域面积89.8 km2,总库容942.5×104m3。截至目前,溢洪道泄洪无闸控制,不能满足下游山西省高校新校区防洪的限泄要求。工程区为典型的大陆型半干旱季风气候区,冬春季节气温低,降水稀少,夏秋季节气温偏高,降水丰富且旱涝灾害频发。年气温均值为11.2 ℃,年降水量均值为399 mm,根据统计资料,7 月~9 月为汛期,汛期降水量在全年降水总量中占比在70%及以上,蒸发较大,年蒸发量均值为2112.5 mm,年风速均值为1.6 m/s,冬春季节最大风速可达25.8 m/s。

田家湾水库溢洪道属于陡槽式结构,轴线弯曲,在水库运行过程中,如遇出库流量增大而且存在急流时,水流的超强冲击波作用会使溢洪道边墙发生转向,进而导致水面发生倾斜。溢洪道弯道内水面横纵倾斜方向及程度的加剧会进一步引起水面流速和流态等水力学参数的改变。总之,水流在流经弯道接陡坡的溢洪道段时,单宽流量必然增大,流速必然提高,能量汇聚,并在弯道处产生较为猛烈的水流冲击波,这种冲击波必然改变弯道处水流、下游陡槽及消力池等水工建筑物的水流流态产生不利影响,为此必须通过模型试验解决弯道急流冲击波问题,避免流量较大时出现漫顶现象[1],确保溢洪道弯道水流运行的安全性,优化下游陡槽及消力池消能效率。

2 水工模型试验

2.1 试验方案

结合该水库除险加固工程所在流域水流变动情况,包括恒定流和非恒定流两类流态,结合主相似原理及重力相似准则,本文主要进行明渠恒定非均匀流流态下田家湾水库除险加固溢洪道导流槽水工试验模型分析。设计的溢洪道水力相似模型必须符合湍流阻力相似的相关要求,并采用正态模型。结合本水库除险加固工程溢洪道运行实际,以P=1%设计洪水频率、P=0.1%校核洪水频率、P=2%消能防冲设计洪水频率三种工况下所对应的流量Qp1=1045 m3/s、Qp2=1251 m3/s、Qp3=1554 m3/s为试验流量,研究不同洪水位对溢洪道断面的压力、水流流态及水面线。

2.2 模型制作及测点布置

本试验模型的制作、安装及试验过程均在工程所在省水库管理中心水工大厅进行,根据已经确定的几何比尺进行田家湾水库除险加固溢洪道水工模型试验设计。模型主要包括由水泵房、地下水库所构成的水流循环系统、流量调节和量测系统、辅助设施等部分,为达到紊动阻力要求,溢洪道模型采用有机玻璃板材制作,田家湾水库除险加固工程溢洪道原型糙率为0.015,糙率比尺1.92,所以有机玻璃板试验材料的糙率为0.015/1.92=0.0078。

田家湾水库除险加固溢洪道工程以平面布置图、横纵剖面图等为模型设计依据,溢洪道与闸室总长为504.5 m,考虑到试验场地条件,在模型中设置两个闸孔,以溢洪道入口为起点向下游模拟,并按照长度比尺进行模型各部分实际尺寸的换算,为保证试验过程中来水水流状态的平稳顺直,将1个长×宽×高尺寸为1.5 m×4.0m×1.6 m的稳流池连接在供水首部,并在连接段进口处增设曲面进口。

结合《水工模型试验规程》,本次所制作的水工模型地形高程误差及平面距离误差应严格控制在2.0 mm和10.0 mm以内,漏水量应按照设计试验过流量最小值的1%控制[2],并采用水准仪进行模型高程误差和平面距离误差的校准与控制。通过玻璃胶防水处理后所进行的防水试验显示,模型全段均不漏水。

结合试验目的,在各测量断面按照相等间距布置水位测点和流速测点,并根据试验实际,在进口段入口处和消力池内分别按横纵向设置5 个测点,其余断面则按横纵向布置3个测点。为便于测量,临近边壁的测点应设置在与边壁距离1.0 cm的位置；进行溢洪道过流能力、水面流速及流态等观测的关键断面还必须在弯道处布置水位壅高点。

2.3 试验结果分析

2.3.1 溢洪道进口过流能力

库水位及溢洪道引水渠控制情况均对溢洪道进口过流能力存在可能影响,在放水试验过程中同时观测0+150 堰上水头断面水位对闸室过流能力的影响程度发现,水位与流量存在密切关系,整理得出的引水渠段0+150 断面试验水位与溢洪道进口处流量关系曲线见图1。

图1 引水渠段0+150断面试验水位与溢洪道进口处流量关系曲线

根据观测结果,在溢洪道流量较小的情况下,原型观测和模型观测水位存在较大差异,在流量Qp1=1045 m3/s时,0+150断面原型观测水位110.12 m,模型试验水位109.74 m,原型观测水位比模型试验水位高出0.38 m；随着流量的增大,原型观测水位比模型试验水位差呈增大趋势,当流量Qp3=1554 m3/s时,0+150 断面原型观测水位114.01 m,模型试验水位112.78 m,原型观测水位比模型试验水位高出1.23 m。通过以上分析可以看出,原渠段设置符合过水能力要求,而且随着流量的增大,溢洪道超泄能力不断增强。

2.3.2 溢洪道水面流速

（1）进口段水面流速。各设计流量下对进口段A、B断面流速实测结果显示,断面流速均值在2.5 m/s~5.7 m/s范围内变化,断面垂线实测流速最大值vmax与流速v之比在1.33~1.51 之间,断面垂线实测流速最小值vmin与流速v之比在0.78~0.95 范围。这一阶段的弗劳德数Fr∈（0.50,0.75）,属于缓流,因受到闸墩处绕流的作用,故轴心线处流速值较小,但进口段末端流速又恢复正常。0+150 断面进口段流速横向分布情况见图2,进口段流速横向分布均匀缓和,且不存在较为明显的横向波。

图2 0+150断面进口段流速横向分布情况

（2）原工程段水面流速。根据试验流速测试结果,从0+170~0+286 断面流速逐渐递增,且闸室控制段流速分布均匀平稳,墩后因存在局部性绕流情况,导致流速发生波动。当进入直线段后由于过水断面面积增大且底板存在坡度而导致流速显著增大。到扩散段后流速表现出分布不均匀状态,并产生冲击波和较大幅度的波动。在扩散段冲击波的持续影响下进入梯形段后水面仍存在较为剧烈的波动,断面垂线实测流速均值最大值vmax与流速均值v之比在1.14~1.93 范围内变动,断面垂线实测流速均值最小值vmin与流速均值v之比在0.58~0.67 范围内变化。这一阶段的弗劳德数Fr∈（0.53,1.98）,整个过程中水面流速表现出从缓流到急流的变动过程。

2.3.3 溢洪道水面流态

（1）进口段水面流态。田家湾水库溢洪道进口以下为长度10 m的引水渠,通过观测各级流量下进口段水流流动情况均较稳定和平顺,各级洪水流量下进口段沿程断面水深均值见表1。根据表中观测结果,自溢洪道进口段开始从0+286断面到0+170 断面沿程逐渐减小；0+170 断面处因存在溢流堰上闸墩,其过水断面面积减小,在墩头阻水及水流绕流的综合作用下,导致桥墩上游出现局部性壅水,最大壅水高度0.14 m。因溢洪道进口段长度小,其进口边界存在的干扰波在受到渠道边界反射后导致桥墩以上水面存在微弱波动态势,但并不影响溢洪道进口段过流能力。

表1 各级洪水流量下溢洪道进口段沿程断面水深均值

（2）原工程段水面流态。溢洪道进口段后为原工程段,设计桩号为0+170~0+286,田家湾水库除险加固工程溢洪道续建是在原工程基础进行,以弥补原溢洪道工程不足、改善陡槽和尾水渠恶劣的水力条件。本次试验为包括原工程段和新设计段在内的整体模型试验,且在各设计试验流量下原工程段水面流态和原型观测流态结果基本相同,具体见表2。

由表2 中试验数据可知,在闸墩的影响下,水深从控制段进口末端0+170 断面至0+185 墩后断面沿程不断减少,且因墩后过水断面面积增大形成局部绕流而导致闸墩后出现明显旋涡；对于0+185~0+200 直线段,水位较为稳定,且到达扩散段后水位出现较大变幅,冲击波的出现引发旋涡区的形成,导致横向水流从均匀分布状态转变为中间高两边低的状态。试验结果也证明,翼墙墙壁扩散合理,水波传播速度所允许的偏转能达到相关要求而不致于造成水流脱离边墙,但是所引起的局部性扰动会导致冲击波的形成,引发水流流态不均匀变化。整体而言,原工程段水深沿中轴线方向呈不断减小趋势,且在闸室控制段及直线段因水深存在较大降幅而表现出水面流态横向不均匀性,对导流墙加高也提出了要求,同时还导致水流集中,增大了下游出口消能难度[3]。

3 结论

本文对田家湾水库除险加固溢洪道导流墙水工模型试验结果显示,原引水渠段溢洪道符合设计过水能力要求,且随着流量的增大,溢洪道具备超泄能力。溢洪道进口段水深从0+170 断面~0+150 断面持续减小,闸墩上存在局部壅水现象,但是并不影响进口段过流能力,横向流速分布均匀平缓,不存在横向波。原工程段沿中轴线方向水深呈减小趋势,且在闸室控制段及直线段水深存在较大降幅、水位存在不均匀波动,冲击波在受到扩散后引发梯形段菱形波的出现。而闸室段流速分布均匀缓和,直线段、扩散段和梯形段流速均存在较大幅度的变动,甚至在梯形段表现出从缓流到急流过度的态势。导流墙的设置既能使溢洪道弯道结构优化、陡槽段水流形态更加缓和,又能避免进入消力池的水流发生较大的水位变化,降低消力池能耗,增强水流的顺畅性,提升消能工效。综上,田家湾水库除险加固工程溢洪道加导流墙后对流速、不均匀水流、弯道、分流效果等均存在不同程度的优化,且对水库工程整体运行十分有利。