希尼尔水库进水渠导墙体型优化试验分析

刘鹏飞

(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

溢洪道是水库工程宣泄余量洪水的重要建筑物，对水库工程挡水及安全运行至关重要。溢洪道首部的进水渠主要发挥引导水流平顺进入泄槽段并调整水流的功能，所以进行进水渠设计时，必须保证其槽段内水流流态平顺，保证溢洪道泄洪作用的顺利发挥。大量研究成果和工程实践也显示，不同的溢洪道进水渠形式对进水渠内水流流态及泄流能力具有不同程度的影响，且其形式设计不合理必定会引起渠段内水流出现涡流并影响泄洪能力。文章主要基于具体水库工程实际情况，对水库溢洪道进水渠形式进行优化设计，从而为类似工程提供借鉴参考。

1 工程概况

希尼尔水库位于孔雀何流域的库尔勒市境内，北距库尔勒市20km，南距尉犁县城27km，西与尉犁县西尼尔镇的新疆红旗机械厂东相接，东至库鲁克塔格山。地理座标为E86°13′-86°18′，N41°33′-41°38′，该中型水库主要发挥灌溉、供水、防洪、发电等职能。溢洪道设置在左岸坝端，主要包括进水渠、控制段、调流段及泄流槽段。该水库溢洪道设计原则主要为重力相似准则，原设计方案中进水渠左岸导墙采用直线段设计型式，且未设导墙，仅通过斜坡连接坝肩。

进水渠渠底通常按照缓坡或平底设计，流速不大，且水流呈明渠非均匀缓流，溢洪道轴线和坝轴线夹角较小，在泄流时，与进水口越远流速越小，且流线基本平行于进水口中线；随过水断面发生收缩，流线逐渐变得弯曲，从而形成横断面水面差。若进水渠坝肩侧未设导墙，则坝坡侧水流流入进水渠后形成侧向水流，并对正向水流造成顶托[1]影响，引发水流剧烈翻滚，影响和降低闸室过流能力，甚至引发闸室振动。

2 进水渠体型优化

2.1 原进水渠布置

按照原方案，溢洪道进水渠左右侧导墙均按照直线型布置，左导墙略微长于右导墙，且高度逐级降低。根据对原设计方案过流能力的复核，仅当流量在420m3/s以下时溢洪道泄流量符合设计要求；设计洪水泄流量和校核洪水泄流量所对应的库水位分别为154.61m和155.68m，比设计值分别高出0.78m和1.49m。具体见图1。

图1 库水位-流量关系曲线

按照设计过流能力进行流量系数反算，所得到的流量系数为包含侧收缩系数且不含近流速影响的综合流量系数，其取值为0.15-0.46，试验结果为0.30-0.34[2]。而希尼尔水库溢洪道宽顶堰流量系数理论值最大达0.384，所以流量系数取值过大是造成其溢洪道泄流量达不到设计要求的主要原因，为此，必须调整溢洪道堰型。原方案下水库溢洪道进水渠进水口断面为矩形型式，进入进水渠的水流因受到两侧挡墙的约束流态较为紊乱，并在接近挡墙附近发生漩涡和涡流，并随流量增大而愈加严重，甚至延伸至闸室区域，十分不利于闸室稳定和泄洪能力的提升。

2.2 溢流堰体型优化

在原设计的基础上必须进行溢洪道堰体型式变更，将原方案下的宽顶堰变为实用堰，仍沿用原堰顶高程，调整后的堰面曲线和1∶0.8直线相切，且末端连接泄槽底板。经过对实用堰泄流能力的反复验证表明，设计洪水位对应泄流量下，上游水位比设计水位低0.51m，校核洪水多对应泄流量下，试验水位比设计水位高0.11m，说明实用堰溢洪道泄流能力仍无法达到设计要求，必须进行进水渠导墙的优化。

2.3 导墙布置方案

考虑到希尼尔水库溢洪道所处地理位置，根据溢洪道设计相关要求，其进水渠进口应按喇叭口结构设计，为此，本次试验主要对其进水渠左右导墙对称布置。

方案一：在地理位置及周围山体的影响下，桩号0+000.00-0+025.5m段保持直线型，而桩号0+033.2-0+053.5m段应按24°水平角的斜直线段设计，中间通过半径R为20m、圆心角22°的圆弧曲线连接，具体见图2。在该优化方案下进水渠内水流整体平顺，仅在直线导墙内存在轻微漩涡，且涡流随整体流量的增大而逐渐明显，但对闸室无不利影响。

图2 方案一布置示意图

方案二：桩号0+000.00-0+025.5m段保持直线型，而桩号0+025.5-0+046.5m段通过半径R为50m、圆心角26°的圆弧曲线连接，具体见图3。当流量不大时，进水渠内水流整体平顺，且直线段导墙内存在轻微漩涡，涡流现象随流量增大而随之增大，并呈向闸室靠拢趋势。

图3 方案二布置示意图

方案三：考虑到弧线长度不够可能是造成方案二中进水渠进口直线段存在轻微涡流的主要原因，故在此基础上适当延长圆弧长度，达到调整水流流态的目的。具体而言，桩号0+000.00-0+025.5m段继续保持直线型，而桩号0+025.5-0+065.5m段通过半径R为50m、圆心角53°的圆弧曲线连接，具体见图4。这种方案下，进水渠内水流整体平顺，流态好，无涡流出现。

图4 方案三布置示意图

3 试验结果分析

3.1 水流流态分析

具体而言，通过对优化方案下进水渠水流流态的分析发现，三种方案中闸室左孔水流流态均有一定程度改善，但效果不尽相同。方案一在导墙内左侧存在大范围较深水面跌落，导致闸室左孔存在明显涡流，且回流区与闸门控制段较为接近；方案二下水流流态与方案一较为接近，且涡流呈现出向闸室靠拢趋势。方案三进水渠内水流平顺，且无漩涡和涡流产生，此方案同原方案以及其余优化方案相比，各断面流速更加均匀，横向水位也较为接近，能取得较好的优化效果，具体见表1。

表1 方案三进水渠内断面流速检测结果

3.2 泄流能力分析

通过表2中对3种方案下溢洪道泄流能力的比较发现，3种方案溢洪道泄流能力均符合设计要求，且方案三泄流能力最大，希尼尔水库库水位分别为152.10m、153.87m、154.46m时方案三水位分别为150.65m、153.32m、154.21m，比设计值低1.45m、0.55m、0.24m，泄流效果最好。

表2 3种方案溢洪道泄流能力比较

4 结 论

综上所述，希尼尔水库宽顶堰泄流能力与设计要求相差较大，若单纯将宽顶堰堰型变更为实用堰，其过流能力依然无法满足设计要求，为此必须调整和优化进水渠导墙。通过对所提出的进水渠导墙三种优化方案的比较得出，方案三(即桩号0+000.00-0+025.5m段继续保持直线型，而桩号0+025.5-0+065.5m段通过半径R为50m、圆心角53°的圆弧曲线连接)能显著改善进水渠面流态，使渠段内水流整体平顺，无漩涡，横向无水位差，使溢洪道泄流能力显著提升。总之，在进水渠增设导墙后能显著改善水流流态，且导墙长度对水流流态及泄洪能力存在一定程度的影响，直线型导墙长度越长，对水流流态的优化作用越明显，但是对泄流能力提高的影响一般。