環(huán)型溢洪道的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

環(huán)型溢洪道的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

摘要利用旋流場理論分析，大膽、巧妙地將環(huán)型堰與消力井相結(jié)合，采用簡便可行設(shè)置防渦墩和外防渦墻的環(huán)型溢洪道泄流消能方式。成功地解決了進(jìn)口流速較大且流速分布極不均勻，水力條件較為復(fù)雜的泄流和消能問題。再經(jīng)兩個(gè)水文年的溢洪實(shí)踐，表明該設(shè)計(jì)與研究在滿足泄洪和消能方面均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。并比常規(guī)的設(shè)計(jì)可節(jié)約工程投資的1/4∽1/3；而且更為安全可靠。對(duì)在城市防洪排澇；中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中；山區(qū)狹長水庫行近流速比較大或切向流速比較大的水庫中，均具有良好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞環(huán)型溢洪道旋流消能防渦設(shè)施設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

一、工程概況貴陽市貫城河是一條由北向南縱貫貴陽市城區(qū)的河流，流域面積為21Km2，為山區(qū)雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，漲峰歷時(shí)短的特點(diǎn)。城市的發(fā)展導(dǎo)致地面硬化，水流下滲量減少，加大短時(shí)地表徑流。由于歷史的原因，貫城河河道過水?dāng)嗝鏈p小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地勢低洼，致使上游地區(qū)及市區(qū)暴雨強(qiáng)度較大時(shí)，極易形成內(nèi)澇，尤以噴水池附近地區(qū)最為嚴(yán)重，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。為解決貫城河的水環(huán)境問題，擬在化龍橋附近修建一條排污分洪隧洞。工程的主要任務(wù)是分泄化龍橋以上河道汛期大部分洪水，提高噴水池附近繁華商業(yè)區(qū)的防洪能力。樞紐工程由環(huán)型溢洪道、隧洞等兩大部分組成，其最大排洪量為100m3/s。二、進(jìn)口方案比較由于貫城河貫穿貴陽市，為減少洪水對(duì)市中心的影響，該工程進(jìn)口位置只能選擇在人口較密、商業(yè)較繁華的化龍橋至沙河橋一帶。這一帶受地形及規(guī)劃用地的限制；并結(jié)合隧洞的選線，進(jìn)口只能選擇化龍橋上游距聯(lián)云橋約60m的上游河段上。分洪隧洞的進(jìn)口引渠與貫城河河道呈83°的交角；該河道河槽底部高程1062m，設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為V0=/s，這有別于水庫近似V0=0m/s行進(jìn)流速。加之出口處南明河河道河床高程1041m左右，進(jìn)出口高差近21m。泄洪流量較大，這給進(jìn)口的設(shè)計(jì)帶來了一定的難度。在布置設(shè)計(jì)時(shí)研究過三種可能的布置形式1、豎井式溢洪道傳統(tǒng)的豎井式溢洪道由環(huán)型堰、漸變段、豎井、彎管及泄水隧洞進(jìn)口四部分組成。其消能機(jī)理是，當(dāng)環(huán)型堰進(jìn)口曲線下端的高速水流脫離井壁時(shí)，挾帶空氣射入消力井中，與井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根據(jù)其消能機(jī)理在布置設(shè)計(jì)其需要一段較長的漸變段、豎井、彎管來控制水流，使水流在其中充分消能。2、環(huán)型溢洪道環(huán)型溢洪道由環(huán)型堰、消力井和消力井三部分組成。與豎井式溢洪道相比其少了漸變段、豎井、彎管，增加了消力井。其消能機(jī)理是，經(jīng)過引渠引入的水流，進(jìn)入環(huán)型堰進(jìn)口時(shí)，在環(huán)型堰曲線下端形成高速射流，脫離環(huán)型堰壁后，挾帶空氣射入消力井中，與消力井的水墊相互碰撞消能。3、龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能采用龍?zhí)ь^式實(shí)用堰引流，使水流進(jìn)入消力池消能。豎井式溢洪道與環(huán)型溢洪道相比雖然工程投資相當(dāng)，但其水墊較淺，消能效果沒有環(huán)型溢洪道的好；再加上受漸變段、豎井，尤其彎管的曲率半徑R不能滿足2-5倍控制段直徑要求，使得輸水隧洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的流態(tài)，甚至在彎管部位會(huì)出現(xiàn)很大的負(fù)壓。而環(huán)型溢洪道正好克服了這些缺點(diǎn)被確定為實(shí)施方案。環(huán)型溢洪道與龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能相比減少占地約40%。綜上所述，從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益上分析，采用較安全可靠的環(huán)型溢洪道比采用豎井式溢洪道、龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能均節(jié)約投資1/4∽1/3，并減少占地約40%。而且更為安全可靠，大大降低泄洪的聲響及水霧，尤其處于城市的繁華中心區(qū)，其本工程的建成不僅大大提高貫城河一帶的防洪能力，工程的建成并不對(duì)周邊的環(huán)境帶來不利的影響。三、環(huán)型溢洪道的設(shè)計(jì)該工程按200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程等別為II等，環(huán)型溢洪道等永久建筑的級(jí)別為2級(jí)。環(huán)型溢洪道由引渠、環(huán)型堰、消力井三部分組成。見附圖。1、環(huán)型溢洪道的理論分析由于本工程地處市區(qū)內(nèi)，受其用地的限制，進(jìn)口引渠位于距河道轉(zhuǎn)彎上游凸岸一側(cè)的約25m的河道上，該處河道水流流速約4m/s，使得進(jìn)口引渠的水流有偏流現(xiàn)象，水面高差∽。由于偏流的存在，環(huán)型溢洪道水力學(xué)參數(shù)的求解必須借助于旋流理論根據(jù)質(zhì)量守恒及動(dòng)量守恒導(dǎo)出的連續(xù)性方程與動(dòng)量方程在水力旋流場中，流體運(yùn)動(dòng)通?？梢哉J(rèn)為是穩(wěn)定的軸流對(duì)稱流動(dòng)，其質(zhì)量力可以忽略不計(jì)。一般采用柱坐標(biāo)系統(tǒng)或球坐標(biāo)系統(tǒng)，但為了方便計(jì)，均采用渦-流函數(shù)的形式。在柱坐標(biāo)下，渦-流函數(shù)為式中渦函數(shù)為渦矢量水流旋流場的邊界相當(dāng)復(fù)雜，完全準(zhǔn)確地給出這些條件至少目前是不可能的，它的求解問題相當(dāng)復(fù)雜。因此，在實(shí)際求解時(shí)可以作出假設(shè)，對(duì)方程⑵用中心差分法，將流函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)離散為這樣可求出溢流進(jìn)出口端的渦-流函數(shù)。但求解渦-流函數(shù)時(shí)需要事先給定的型式，鑒于邊界條件的復(fù)雜性難以等到完全滿意的結(jié)果。因此需進(jìn)行水力學(xué)試驗(yàn)來研究確定。

2、環(huán)型堰設(shè)計(jì)定型水頭的確定現(xiàn)行《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253-2000明確規(guī)定：當(dāng)采用低堰時(shí)其定型水頭取Hd=∽，結(jié)合本工程大多數(shù)情況是在低水頭運(yùn)行和洪水有陡漲陡落的特點(diǎn)；同時(shí)考慮到引渠內(nèi)有4m/s左右的的初始流速，為增加泄流量，確定采用定型水頭Hd=max的定型水頭。圓形控制段半徑的計(jì)算已知該工程的該工程的分洪流量為100m3/s，根據(jù)堰流流量公式式中Q為設(shè)計(jì)流量，本工程Q=100m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)，本工程取ε=；m為流量系數(shù)，本工程取m=；R為堰頂半徑；n為防渦墩數(shù)；d為堰頂高程處的防渦墩厚度，本工程d=；g為重力加速度Ho為堰上水頭，本工程為Ho=；通過試算可確定控制段的直徑為。堰面曲線的設(shè)計(jì)根據(jù)進(jìn)口處的實(shí)際地形條件環(huán)型溢流堰布設(shè)為低堰，堰高Hp=。堰面曲線的設(shè)計(jì)象一般實(shí)用堰和豎井式溢洪道一樣，環(huán)型堰的形狀是根據(jù)銳緣薄壁環(huán)堰的水舌下緣剖面繪制。R堰頂半徑為及Hp=，根據(jù)Hp/R及定型水頭Hd查文獻(xiàn)1上的相應(yīng)表可得的堰面曲線坐標(biāo)。3、消力井的初步設(shè)計(jì)現(xiàn)行《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SD134-84規(guī)定，混凝土襯砌隧洞要防止高速水流的沖刷，噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s。根據(jù)動(dòng)勢能轉(zhuǎn)換原理可求得本工程跌落進(jìn)消力井水舌的入水流速V=16m/s。大于噴錨襯砌的允許流速，接近高速水流的范疇。為減少對(duì)隧洞的沖刷降低流速，必須采取消能措施進(jìn)行消能。本工程擬采用的消能措施是消力井。其幾何尺寸主要是先根據(jù)跌落進(jìn)池中水流共軛水深和水躍長度初步確定，經(jīng)計(jì)算本工程的共軛水深為；水躍長度?？悸实奖竟こ痰倪M(jìn)口流態(tài)較復(fù)雜，為工程的安全，在布置設(shè)計(jì)時(shí)考慮充分的消能率池深取為，直徑為。因此，還需用水力試驗(yàn)來加以研究確定，并為類似的工程提供一個(gè)比較簡單易懂的數(shù)據(jù)。4、理論消能率的計(jì)算消能率是評(píng)價(jià)消能工消能效果的一個(gè)指標(biāo)，其等于經(jīng)過消能的能量損失與泄洪隧洞進(jìn)口段總能量之比；而經(jīng)過消能的能量損失等于該泄洪隧洞進(jìn)口段總能量減去隧洞進(jìn)口段總的能量之和。其理論公式可由能量方程經(jīng)計(jì)算隧洞洞內(nèi)在設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為/s，則消力井的理論消能率為73%。以就是說跌落進(jìn)消力井水舌的入水流速V=16m/s的水流，在進(jìn)洞時(shí)其流速接近洞內(nèi)在設(shè)計(jì)水位時(shí)的流速為/s，則表明消能較好。在工程布置時(shí)還需研究合理可行的消能放渦設(shè)施。以用于提高其消能率。

四、試驗(yàn)研究環(huán)型溢洪道是一種新泄洪方式，工程實(shí)例較為少見。對(duì)于偏流現(xiàn)象目前還不能對(duì)之進(jìn)行較為精確的水力學(xué)計(jì)算。亦不能計(jì)算進(jìn)口河道偏流對(duì)環(huán)型堰泄流能力的影響；以及為對(duì)防渦設(shè)施的進(jìn)一步研究，為樞紐建筑物的結(jié)構(gòu)布置提供試驗(yàn)依據(jù)。這也是進(jìn)行水工模型試驗(yàn)的目的。試驗(yàn)主要研究泄洪隧洞單獨(dú)泄洪和泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪兩種方式。上游河道控制最高水位時(shí)，泄洪隧洞單獨(dú)泄洪最大泄流量/s，泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪時(shí)，最大泄流量/s，下游河道控制流量/s，泄洪隧洞泄洪流量/s。水工模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)為正態(tài)模型，幾何比尺采用1:20，滿足糙率相似。經(jīng)過對(duì)五種方案的試驗(yàn)研究，實(shí)測了模型中的各種水力參數(shù)、流態(tài)和消能特性，并為工程設(shè)計(jì)推薦了一個(gè)比較合理的方案。1、進(jìn)流水力特性本工程引渠方向與河道呈83о的交角，使得行近水流具有較大的初始環(huán)量，造成進(jìn)流流速分布極不均勻，引渠左右流速差達(dá)/s。且存在較大橫向水面差，橫向水面差值為~。并且在進(jìn)口上游無任何調(diào)節(jié)及穩(wěn)流設(shè)施，水流從河道經(jīng)寬頂堰直接進(jìn)入環(huán)型溢洪道，致使水流流速較大，高達(dá)8m/s，極大影響了進(jìn)流流態(tài)。若不采用防渦設(shè)施或采用不當(dāng)，將會(huì)使環(huán)型溢洪道的下泄水流產(chǎn)生較強(qiáng)的豎軸吸氣旋渦，產(chǎn)生巨大的聲響。同樣由于環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)流分布極不均勻，在環(huán)型溢洪道面上產(chǎn)生局部負(fù)壓，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)極為不利，嚴(yán)重降低了環(huán)型溢洪道的泄流量，使上游河道水位大幅度升高。在泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪方式時(shí)，由于下游河道泄流，環(huán)型溢洪道引渠進(jìn)口水流的主流下移，致使進(jìn)口的進(jìn)水角增大，增大了行近水流的初始環(huán)量，加劇了環(huán)型溢洪道的橫向繞流，最大橫向繞流流速達(dá)/s，水流流態(tài)更加紊亂，同樣若不采取工程措施，將會(huì)使得豎向環(huán)型溢洪道在聯(lián)合泄流時(shí)較單獨(dú)泄流時(shí)的泄流量要低。2、防渦設(shè)施的確定該工程環(huán)型溢洪道來流流速較大，偏流現(xiàn)象嚴(yán)重，流速分布極不均勻，在環(huán)型溢洪堰前產(chǎn)生較大的橫向繞流，水流流態(tài)更加紊亂，影響泄流。設(shè)計(jì)時(shí)擬在堰頂上布置了四個(gè)防渦墩的工程措施，但對(duì)于其防渦效果如何，還需進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行研究。不設(shè)防渦設(shè)施不設(shè)防渦設(shè)施時(shí)，由于受到上游來水極不均勻的影響，在環(huán)型溢洪道前產(chǎn)生較大的橫向流速，導(dǎo)致水流的旋轉(zhuǎn)，隨著流量的增加進(jìn)口漩渦直徑及強(qiáng)度亦逐漸加大，溢流能力較低。在流量Q＝/s環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流時(shí)，進(jìn)口旋渦直徑，并伴隨著巨大的聲響，上游河道水位，已超過最高防洪水位。環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩，墩與墩之間夾角120о，墩的位置經(jīng)試驗(yàn)調(diào)整確定，1＃墩軸線與引渠對(duì)稱中線的夾角25о。受水力條件的影響，環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉(zhuǎn)水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻。在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q＝/s時(shí)，上游河道水位。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝/s時(shí)，環(huán)型溢洪道后側(cè)的橫向流速為/s，上游河道水位，超過校核水位。環(huán)型溢洪道周邊設(shè)4個(gè)防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)4個(gè)防渦墩，墩與墩之間夾角90о，1＃墩軸線與引渠對(duì)稱中線的夾角45о。在環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉(zhuǎn)水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻,在環(huán)型溢洪道上游的右側(cè)1#防渦墩下游溢流面上產(chǎn)生負(fù)壓，最大負(fù)壓值為。在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q＝/s時(shí)，上游河道水位。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝/s時(shí)，上游河道水位，超過校核水位。設(shè)3個(gè)防渦墩和1個(gè)外防渦墻根據(jù)在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩方案與設(shè)4個(gè)防渦墩的方案試驗(yàn)成果比較，選定在設(shè)3個(gè)周邊防渦墩方案的基礎(chǔ)上，經(jīng)不同位置和尺寸的比較試驗(yàn),在環(huán)型溢洪道的橫向?qū)ΨQ線上的右側(cè)邊墻布置一寬為的外防渦墻。外防渦墻截?fù)趿擞覀?cè)的較大偏向水流流速，減小了環(huán)型溢洪道周邊的橫向繞流流速，但環(huán)型溢洪道周邊還存在旋轉(zhuǎn)水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水不均勻，該方案水流條件較其它方案均有較大的改善。在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q＝/s時(shí)，上游河道水位。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝/s時(shí)，環(huán)型溢洪道后側(cè)的橫向流速為m/s，上游河道水位，低于校核水位。設(shè)3個(gè)防渦墩和2個(gè)外防渦墻在環(huán)型溢洪道周邊設(shè)3個(gè)防渦墩、1個(gè)外防渦墻方案的基礎(chǔ)上，在環(huán)型溢洪道1＃防渦墩的對(duì)稱沿長線的邊墻上布置一寬為的外防渦墻，成為3個(gè)周邊防渦墩和2個(gè)外防渦墻方案。由于2個(gè)外防渦墻截?fù)趿擞覀?cè)的較大偏向水流流速和環(huán)型溢洪道周邊的橫向繞流，調(diào)整了整個(gè)水流分布，環(huán)型溢洪道周邊進(jìn)水均勻，整個(gè)環(huán)型溢洪道面未出現(xiàn)負(fù)壓，增大了環(huán)型溢洪道的泄流能力，在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流流量Q＝/s時(shí)，由于外防渦墻的設(shè)置調(diào)整了水流分布趨于均勻，寬頂堰出口左右流速差為m/s，上游河道水位。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝/s時(shí)，上游河道水位，低于校核水位，滿足了工程要求。其試驗(yàn)成果見表1。表1環(huán)型溢洪道水力特性表試驗(yàn)方案流量(m3/s)溢流形式上游河道水位(m)引渠最大流速(m/s)引渠流速差(m/s)引渠水面差(m)環(huán)堰周邊最大橫向流速(m/s)方案一不設(shè)防渦設(shè)施單獨(dú)泄流方案二設(shè)3個(gè)防渦墩單獨(dú)泄流聯(lián)合泄流方案三設(shè)4個(gè)防渦墩單獨(dú)泄流聯(lián)合泄流方案四設(shè)3個(gè)防渦墩和1個(gè)外防渦墻單獨(dú)泄流聯(lián)合泄流方案五設(shè)3個(gè)防渦墩和2個(gè)外防渦墻單獨(dú)泄流聯(lián)合泄流注：在不設(shè)防渦設(shè)施方案試驗(yàn)中，由于在Q=/s流量時(shí)，上游河道水位已超校核水位,故未進(jìn)行大于/s以上泄流量的試驗(yàn)。

五、試驗(yàn)研究成果分析1、試驗(yàn)成果對(duì)貫城河排污分洪隧洞工程的進(jìn)口樞紐，進(jìn)行了五種大方案十余種防渦墩布置方案的試驗(yàn)研究，對(duì)于環(huán)型溢洪道要使來水均勻地進(jìn)入環(huán)型溢洪道，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，僅僅具有適合的引水渠輪廓尚不能獲得成功，還要根據(jù)工程的具體水力邊界條件，必需采用相應(yīng)的防止漩渦的設(shè)施。環(huán)型溢洪道僅在周邊設(shè)置防渦墩方案與環(huán)型溢洪道周邊設(shè)置防渦墩和外防渦墻共同使用方案比較，在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流情況下，在Q＝/s時(shí)，寬頂堰出口平均流速，左右側(cè)流速差從/s減至/s，在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝/s時(shí)，寬頂堰出口平均流速，左右側(cè)流速差從m/s減至m/s，在環(huán)型溢洪道單獨(dú)泄流Q＝/s時(shí)，上游河道水位從降至，在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q＝/s時(shí)，上游河道水位從降至，效果明顯。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將原設(shè)計(jì)環(huán)型堰上布置有４個(gè)防渦墩減少為３個(gè)，為更好的防止渦流的產(chǎn)生，在引渠邊墻增加兩道防渦墻。試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)泄洪量Q=100m3/s時(shí)，最大動(dòng)水壓力為，最大沖擊流速為/s；較入射水流流速V=16m/s減小了進(jìn)一半，基本滿足了噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s的要求。此時(shí)的消能率為%，為理論消能率的80%，消能效果較為顯著；而且這種消能形式結(jié)構(gòu)簡單新穎易于布置。2、試驗(yàn)研究成果分析鑒于水流邊界的特殊性和環(huán)型溢洪道是一項(xiàng)較為新穎的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)未見有類似的工程實(shí)例。對(duì)于防渦設(shè)施、消力井的布置沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。其中僅環(huán)型堰的孔口尺寸可以由