水库除险加固溢洪道导流墙的水工模型试验研究

李斌

（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关 512000）

在水库除险加固的工程设计中，基于某些水工建筑物极其复杂的工作条件，面临很多不利于工程分析和计算的因素，只能简化后进行设计。而通过试验水工模型，在为模型构建和理论研究提供依据的同时，也可以对现有理论结果实施验证和修正。在水工模型的试验中有效测量诸多水力学参量，包括含沙水流的含沙量、水深、流量、渗气水流的掺气浓度、时均与脉动压强、时均与脉动流速等。完成设计后进行设计结果验证，及时改进发现的各种问题，利用数据支撑了整个水利过程。

1 溢洪道水流流态状况

1.1 进口流态

某水库的溢洪道的进口是用直墙和1/4 圆形翼墙连接，直墙半径为20m、圆形翼墙为10m。试验数据表明，如果折中水流发生在连接段处，那么围绕中线，两股水流就会彼此碰撞，就会发生紊乱性的水流流态，造成水面的波动，特别是高水位运行的状态下，在中线偏左位置两股水流交汇而形成水冠。

1.2 急流弯道水流流态

弯道进口设计40m 的起始宽度，到出口处收缩为20m，逐渐收缩到出口变为20m，长度从0+030 到0+113.80 底坡i=0.04，折冲水流在弯道上游进入，急流水流在加大后的底坡形成，受到上游折冲水流以及弯道离心力的影响，形成水深左高右低的态势，水流在弯道中恶化，构成多股曲线的折冲干扰波，在设计框架内，倘若在0+103 右岸发生干扰波时，构成驻波的设计条件；基于校核的状态，驻波会明显形成在0+093断面左侧，水面的横比降都会突然出现变化，并且是在不同的弯道断面折冲干扰波扰动线位置，都会突然变化，因为特别陡的比降，滚波状会出现在没有受到干扰的一侧水面。

1.3 桥墩附近的流态

墩头为半圆形的溢洪道工作桥，长和宽分别为2m和1m。流经桥墩的急弯道上多曲线干扰波，会因为桥墩产生极大的涌浪，最大可达6.24m，虽然水流被梳理后改善了下游的流态，但桥墩附近的流态十分复杂，连续向下游泄槽折冲水流[1]。

2 溢洪道导流墙的水工模型制作和测点布置

2.1 模型制作

2.1.1 模型比尺

按照水利部《水工（常规）模型试验规程（SL155-95）》中的标准和方式，遵循相关规程的标准，全面分析设备和场地的供水能力，最大限度消除或者减轻缩尺造成的不利影响，按照1：55 的比例尺，选取要按照地图和研究要求进行。

1.模型范围。因为本模型将溢洪道体型确定作为试验研究的重点，对某些水力学问题进行解决，比如泄洪和消能等，所以，确定正态模型为本研究的选择。根据试验的相关要求，上下游的模型长度分别取至0-260 断面延伸至库区和取至0+1030 断面。以不影响溢洪道上下游流态为前提设定模型宽度范围，尽量保持模型与原型的一致性，上下游宽度分别为935m 和270m。为了模型的精度得以保证，可以对原型水流状况得以准确反应，可以将多道花墙增设在模型上游非工作段上，控制水流的平稳。借助河道的自身的调整能力，该模型完全保证了原型流场与试验段流场的相似性[2]。

2.比尺选择。选择模型比尺，要按照相似原则以确保重力相似，并让模型水流到达阻力平方区内。综合分析后，确定水工模型的比尺为λL=λH=55 的正态模型，λL代表水平比尺，λH代表垂直比尺别。在此基础上进行相关比例尺的确定。另外，针对模型与原型的描述，必须采用同样的物理方程式，并且要满足以下两个标准：

（1）必须以紊流作为模型水流的流态，所以，要保证模型水流雷诺数Rem≥580～400021。为了提升安全等级，在模型设计时必须为4000 以上的雷诺数。

（2）为了不让战力影响水流，要0-260 断面处于2 号溢洪道上游位置，上游173m 水位，在Q=2300m3/s 情况下，进行水流断面雷诺数的计算。原型湿周和模型湿周分别为Xp=198m 和Xm=360cm，模型过水面积和原型过水面积分别为Sm=4053cm2和Sp=1226m2，模型平均流速和原型平均流速分别为Vm=25.2cm/s 和Vp=1.87m/s。利用计算手册进行计算Y=0.00804cm2/s（30℃时）则计算公式为：

以此类推，能够得到的Rem＞4000 可以是百年一遇或者万年一遇，力求原型水流紊流和模型试验水流的统一性。

2.1.2 粗糙模拟以及模型制作

河道阻力因素的构成主要包括：河岸阻力、人工建筑物的外加阻力、滩面阻力、沙粒阻力、河槽形态阻力等。而人工建筑物阻力是本文研究的重点。在粗糙模拟试验中，既要注重人工建筑物因素，更要全面考虑原型的具体状况。重力相似是该模型试验的宗旨，所以，要遵循相关部门的资料和图纸，利用有机玻璃制造1 号、2 号溢洪道，上游和下游的连接段则是利用水泥砂浆净面和拉毛处理。制作1 号、2 号溢洪道的闸室段有机玻璃的糙率为0.007～0.008，因此，0.014～0.015 的溢洪道闸室段糙率可以符合阻力相似[3]。

2.1.3 试验仪器设备

本试验通过高水箱循环作为供水系统。水流的测量利用电磁流量计和模型上安置的60cm 矩形量水堰进行，利用活动测针和固定测针测量水位，可以不利用测压管对时均动水压进行测量，利用多普超声流速仪测量流速、光电旋桨流速仪。

2.2 测点布置

根据试验的要求进行水位测点和流速测点的布置，要按照相等的间距在各测量断面上进行，同时按照试验的具体状况，在进口段入口处以及消力池内根据纵向和横向设置5 个测点，按照在其他断面按照纵向和横向设置3 个测点。为了更方便测量，测点也可以设置在距离边壁10cm 处；有必要在弯道处设置水位壅高点，作为观测溢洪道过流能力和水面流速、流态的关键断面。

3 试验结果分析

3.1 溢洪道进口过流能力

对进出口过流能力的影响因素，主要包括水库水位和溢洪道引水渠控制状况等。针对0+150 堰上水头断面水位对闸室的影响，结果表明，水位与流量密不可分，本研究获得溢洪道进口处流量与引水渠段0+150断面试验水位关系曲线，如图1 所示。

图1 溢洪道进口处流量与引水渠段0+150 断面试验水位关系曲线

试验结果显示，如果溢洪道为很小的流量，就会显出原型观测水位和模型观测水位之间的差距，在Qp1=1044m3/s 的流量状态下，原水位观测数据为110.22m，0+150 断面模型试验水位为109.87m，原有观测水位高出模型试验水位0.35m；而如果流量逐渐增大，两者之间的水位差也会显著增大，如果流量Qp3=1555m3/s 时，0+150 断面的模型试验水位为112.64m，原型观测水位是114.11m，原型观测水位比模型试验水位高1.47m。由此不难看出，针对过水能力方面，原区段的设计基本符合标准，并且溢洪道伴随增大的流量而提升超泄能力[4]。

3.2 溢洪道水面流速

3.2.1 进口段水面流速

以设计流量为基础实测进口段A、B 断面流速，结果显示，如果断面流速处在2.5m/s～5.7m/s 范围的均值，断面垂线流速V 与实测流速最大值Vmax之间比值1.33～1.51 之间，断面垂线流速V 与实测流速最小值Vmin之比在0.78～0.95 之间。呈现缓流的该段落的弗劳德数为Fr ∈(0.50,0.75)，因为闸墩会产生绕流，因此轴心线的流速值很小，但正常流速又在进口段末端恢复。有横向流速出现在0+150 断面进口段，表现为均匀缓慢的横向流速，没有明显的横向波。

3.2.2 原工程段水面流速

通过对流速的测试结果进行分析，断面流速在0+170～0+286 处缓慢递增，而且，均匀而平稳的流速出现在闸室控制段，因为桥墩造成的局部绕流让流速波动性很大。基于增大的过水断面面积和底板坡度，在直线段内造成流速迅速加快。流速在扩散段后流态不均匀，同时波动的冲击波产生。在扩散段的冲击波作用下，进入梯形段后的水面波动依旧很剧烈，断面垂线流速均值V 与实测流速均值最大值Vmax之比在1.93～1.14 之间，断面垂线流速均值V 与实测流速均值最小值Vmin与之比为0.67～0.58。该段落的弗劳德数Fr ∈（0.53,1.98），水面流速在全阶段体现由缓流到急流的趋势。

3.3 溢洪道水面流态

3.3.1 进口段水面流态

某水库在溢洪道进口下面设置10m 的引水渠，通过有效观测每一级流量下进口段水流，都表现为平顺和稳定，观测结果表明，起始溢洪道进口段的0+286断面到 0+170 断面，逐渐减小水深，基于墩头对水的阻碍以及绕流的双重影响下，局部性的壅水出现在桥墩上游，最高可达0.15m。因为溢洪道的进口段很短，干扰波在进口界限形成后，经历渠道边界的发射，导致桥墩之上水面不太强烈的波动，却不会影响过流能力。

3.3.2 原工程段水面流态

某水库利用与原有的工程段作为溢洪道的进口段，桩号设计为0+170～0+286，该水库在原工程基础上实施溢洪道的续建，有效弥补原有溢洪道工程不足的同时，也能够进行恶劣水利条件的有效改善。本文的模型试验是通过原工程段和新设计工段完成，在不同设计试验流量下原型观测结果和模型观测结果整体一致。

4 结语

综上所述，通过某水库水利工程模型的试验，试验结果显示，在过水能力方面，原有的引水渠溢洪道可以满足标准要求，并且面对大流量时的超泄能力较强。尽管在闸墩的某些地方存在壅水现象，但不会实质影响进口段过流能力，横向流速相对平缓均匀，没有横向波出现。原有工程段的中轴段方位的水深大大降低，并且水深降幅较大、水位不均匀波动的还包括直线段以及闸室控制段，同时，被扩散的冲击波引起凌兴波和梯形波。而闸室段则是流速比较均匀和缓，梯形段、扩散段、直线段流速变化的幅度很大，以至于体现梯形段从缓流转急流。试验显示，设置导流墙不仅明显优化了溢洪道弯道结构，更有效控制了消力池的水流，能耗显著降低，水流更顺畅，促进消能功效的大幅度提升。