L形溢流堰侧槽溢洪道水力设计与试验研究

赖 勇,唐 毅,顾锡春,屠兴刚

(1.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州310002;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州310008)

L形溢流堰侧槽溢洪道具有地形适应能力强、开挖量小的特点,堰体整体直接布置于库区内,水流可分别从L形堰的长短两边汇入,入流条件较常规的侧槽溢洪道还要优越。在高山峡谷地带,岸坡式溢洪道中正槽溢洪道容易受到堰宽限制,常采用侧槽溢洪道,岸坡陡峭时,设置侧槽溢洪道不仅需要大量的开挖,往往还会带来高边坡处理问题,此时,采用L形堰侧槽溢洪道,将堰体向河床一侧偏移,可不受地形限制,在一定程度上还可节省投资。

相对常规侧槽溢洪道,L形堰侧槽溢洪道增加了垂直侧槽水流方向的槽首作为过流断面,侧槽内侧堰汇入的横向水流在槽首水流及重力的作用力,以螺旋流形式向下游流出,水流紊动十分剧烈,如设计不当将对泄槽内的水流流态产生不利影响。另外,因堰型相对复杂,致使水面线计算也较复杂,而当前这一课题的相关研究也较少[1～5],影响了L形堰的运用。为此,本文结合某水库除险加固设计过程中这一特殊堰型的水工模型试验成果,对其泄流能力、水面线特征等水力特性进行了一些分析。

1 水力设计与计算方法

1.1 工程概况

某中型水库原侧槽溢洪道进口前端为两孔宽度均为3.0 m的泄槽闸,因结构不稳定以及泄洪时下游泄槽过流能力不足,需进行改造。原溢洪道右岸为公路,紧靠公路内侧的陡峭山体内布置有泄洪洞,因此不具备再向山体内扩挖侧槽溢洪道的地形条件。水库除险加固设计从经济以及利用已有泄槽的角度出发,将原侧槽溢洪道进口前端的两孔泄洪闸拆除后改建溢流堰,作为L形溢流堰的短边,原侧堰拆除后新建与槽首连接的溢流段作为L形溢流堰的长边,从而将原来带泄洪闸的侧槽溢洪道改造成了L形堰侧槽溢洪道,除险加固改造后溢洪道结构布置见图1。

1.2 泄流能力

侧槽溢洪道泄流能力取决于溢流堰过流能力,但泄槽过流能力不足时,泄槽内水面壅高,进而抬高堰后的水位形成淹没出流,也会使溢流堰过流能力减小。L形溢流堰设计短边与长边之比以小于1/4为宜,拐角处可用半径R=0.4Hd的圆弧或折线连接,Hd为相应溢洪道设计流量为Qd时的堰上水头,通常以校核洪水位工况下泄流量为设计流量。溢流堰堰型常采用WES实用堰,上游堰面铅直布置,下游面一般采用1∶0.5的坡度[6]。溢流堰泄流能力计算公式如下:

式中:c、m、ε、σs分别为上游堰坡影响系数、二维水流WES实用堰流量系数、闸墩侧收缩系数、淹没系数;B为有效堰长,等于L形堰顶几何长度减去在拐角处的水流径向收缩影响长度(m);H0为计入行近流速水头的堰上总水头(m)。

图1 L形堰侧槽溢洪道结构布置图

常规侧槽溢洪道水力设计时,为不影响过堰流量,即保证堰为不淹没堰,根据经验常取hs≤0.5Hd,hs为侧槽首端水深高出堰顶的高度,此时淹没系数σs=1.0。因对L形溢流堰侧槽溢洪道水力特性的相关研究较少,工程除险加固设计计算时暂移用这一常规侧槽溢洪道的经验参数,但根据水工设计手册[6],近似取距侧槽底部起点约2倍底宽处的水位作为侧槽首端水位。根据堰上水头确定堰面曲线及流量系数m后,可由设计流量得到溢流堰宽度,进而进行结构布置。由于L形溢流堰侧槽溢洪道水流紊动十分激烈,侧槽下游泄槽最好设置一平段或缓坡段,有利于调整流态。

1.3 水面线计算

侧槽和下游泄槽水面曲线可利用能量方程,用分段求和法计算,侧槽各分段始末断面流量均不一致,水面线计算方法如下[7]:

式中:n、¯J分别为糙率系数和分段内平均摩阻坡降;Q1、Q2分别为计算流段上下游断面所通过的流量(m3/s);v1、v2分别为计算流段上下游断面流速(m/s);v为流段平均流速(m/s),¯v=(v1+v2)/2;Δs为计算流段长(m);¯R为分段平均水力半径(m)。

下游泄槽水面线计算公式如下[7]:

式中:θ、i、α1、α2分别为泄槽底坡角度、泄槽底坡和分段始末断面流速分布不均匀系数;h1、h2分别为分段始、末断面水深(m);Δl1-2为分段长度(m)。

2 水工模型试验

2.1 模型制作与量测方法

模型按重力相似律,正态模型设计,模型几何比尺λL=40,其它相应水力比尺为:流量比尺;流速比尺;糙率比尺库区模拟至距L形溢流堰短边50m的范围,溢洪道模拟范围包括:L形溢流堰、侧槽、泄槽S弯段、泄槽直线段、泄槽陡坡段及消能段,同时对泄洪洞和部分河道进行了模拟,模型主要采用水泥砂浆抹面制作,泄洪洞部分采用有机玻璃制作,模型全景见图2。

图2 模型全景图

模型采用电磁流量计控制流量,八线智能流速仪测量流速,其余采用常规仪器量测,水位测针分辨率0.1 mm。

2.2 试验方案

试验共进行了两套方案,即初始设计方案和优化方案。初始设计方案侧槽、泄槽底坡及底板高程根据计算结果保证槽首为自由出流而确定,优化方案在初始设计方案试验基础上,考虑到低水位时泄流能力有富余,对调洪有利,而现状坝顶高程也有较大安全余度,在试验泄流能力满足水库防洪安全的前提下,对泄槽底坡进行了一些抬高,从而大大减少了除险加固实施过程中泄槽底板石方的开挖以及泄槽与坝体相邻部位混凝土挡墙的工程量。两方案堰顶高程、溢流宽度、上游堰高均相同,分别为116.8 m、68.6 m和6.8 m,陡坡段上游泄槽结构尺寸见表1。

表1 泄槽结构尺寸参数

3 成果分析

3.1 泄流能力

初步设计方案设计计算与模型试验得到的水位～流量关系曲线对比见图3。

图3 水位～流量关系曲线

对比初步设计方案设计计算与模型试验值,在校核洪水位120.16 m泄洪时,两者几乎相同,但低水位计算点设计计算值要较水工模型试验值偏小5%～10%,考虑设计要有一定的安全余度,因此,在没有模型试验的情况下,L形溢流堰溢洪道泄流能力可以直接利用上式计算。优化方案水工模型试验泄流能力在水位119.50 m时存在明显的拐点,显然拐点以下自由出流,以上为淹没出流,自由出流时,泄流能力与初步设计方案完全相同,因此,在满足自由出流的条件时,扩大泄槽过流断面对增加泄流能力没有实际意义。

3.2 侧槽及泄槽水面线

以校核洪水位泄洪时,模型试验实测的下泄流量和临界断面为已知参数,将设计计算得到的侧槽及泄槽水面线与模型试验得到的结果进行对比,初步设计方案对比情况见图4,优化方案对比情况见图5。

图4 初步设计方案水面线

图5 优化方案水面线

在桩号0+000.00位置,初步设计方案计算水位为120.10 m,接近校核洪水位120.16 m,优化方案计算水位为120.59 m,已超过校核洪水位120.16 m。L形堰溢洪道近似取距侧槽底部起点约2倍底宽处的水位作为侧槽首端水位,则初步设计方案和优化方案计算得到的槽首水位分别为119.63 m和119.96m,淹没度hs/Hd分别为0.84和0.94。模型试验初步设计方案和优化方案实际槽首水位分别为119.18 m和119.49m,淹没度hs/Hd分别为0.71和0.80。按侧槽水面线公式计算得到的近似槽首淹没度较水工模型试验实际槽首结果仍要高18%左右。另外,仅从模型试验结果看,对于L形溢流堰,淹没度为0.7左右时的泄流能力与自由出流时的泄流能力相差不大。

在桩号0+055.00下游,相应S弯道第一个转弯位置,因泄槽轴线向右偏转,右边墙处水位局部明显降低[8];而在泄槽桩号0+103.78下游,相应S弯道下游,因泄槽轴线向左偏转,右边墙局部水位略有抬升;除此之外,按泄槽水面线公式计算得到的泄槽水面线与试验结果保持了较好的一致性。

4 结 语

根据对L形堰侧槽溢洪道的水力计算结果与模型试验结果对比,可得出以下一些规律供类似工程参考以优化设计。

(1)L形溢流堰泄流能力按实用堰公式计算时,在低水位情况下要偏小5%～10%,高水位时与试验结果基本一致,考虑设计要有一定的安全余度,因此,在没有模型试验的情况下,可以直接利用实用堰公式进行计算。

(2)为保证侧槽为自由出流,常规侧槽溢洪道槽首要求淹没度hs/Hd≤0.5,然而,对于L形溢流堰侧槽溢洪道,根据模型试验情况,槽首淹没度为0.7左右时泄流能力与自由出流时的泄流能力相差不大。

(3)对L形堰侧槽溢洪道,以距侧槽底部起点约2倍底宽处的水位作为计算槽首水深时,按侧槽水面线公式计算得到的近似槽首淹没度仍较水工模型试验实际槽首位置淹没度要高18%左右;在侧槽下游的泄槽,按泄槽水面线公式计算的水面线结果与试验结果基本一致。

[1]陈菊清,黄纪忠.侧槽溢洪道变量流段水面衔接的计算与控制[J].武汉水利电力大学学报,1997,30(6):41-44.

[2]周勤,武 超,赵元弘,等.“S”型溢洪道水流特性试验与数值模拟研究[J].水力发电学报,2005,24(3):78-82.

[3]郭雷,张宗孝,马 斌,等.竖井溢洪道水力特性试验研究[J].人民长江,2007,38(6):110-112.

[4]花立峰,朱玉英,卢 军.黑河水库岸边溢洪洞水力设计若干问题的试验研究[J].水利与建筑工程学报,2005,3(2):29-33.

[5]李应科,胡梅.岸坡式侧槽溢洪道的运用[J].水利水电技术,2001,32(6):54-56.

[6]华东水利学院.水工设计手册(6):泄水与过坝建筑物[M].北京:水利电力出版社,1987.

[7]SL253-2000.溢洪道设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2000.

[8]张庆华,刘巍,宋学东,等.溢洪道泄槽弯道设置导流墙试验研究[J].水利水电科技进展,2005,25(5):52-54.