某水庫側(cè)槽溢洪道加閘設(shè)計

某水庫側(cè)槽溢洪道加閘設(shè)計

1溢洪道加閘工程水庫是一個主要的水庫，集城市供水、防洪等綜合利用于一體。水庫由大壩、溢洪道及高低放水洞組成。大壩為均質(zhì)土壩,壩高61m,頂寬6m,底寬350m,壩頂長294m,壩頂高程792.0m,防浪墻高1.0m,大壩于1973年建成。溢洪道位于樞紐右岸,為一傍山開挖的側(cè)槽溢洪道。溢洪道由溢流堰(側(cè)堰)、側(cè)槽及泄水道3部分組成(見圖1)。溢洪道實施加閘工程后,側(cè)堰全長89.026m,共布置7孔,每孔凈寬10.5m,高5.5m。閘墩長8.0m,寬1.8m,墩頭及墩尾均為半圓型。堰頂采用拋物線連接并降低原堰頂高程0.5m。側(cè)槽長79.28m,底寬7.62～20m,比降0.65%,岸邊坡比1∶0.3,出口高程772.0m(圖2)。泄水道長225m,底寬20m,深20m,比降1%,梯形斷面邊坡比1∶0.3,泄水道全部采用150#鋼筋混凝土襯砌加固,出口增設(shè)齒墻護坦及挑流鼻坎。實施馬欄河引水和溢洪道加閘2項工程后,該水庫供水量將增加4108萬m3。既能保證城市供水,同時農(nóng)業(yè)灌溉保證率也將由37.4%提高到48.1%。這充分顯示了加閘工程的重要性和必要性。2側(cè)槽內(nèi)水流運動學分析通過模型試驗研究表明,該加閘工程設(shè)計存在的最突出的問題是側(cè)槽與泄水道之間的水流銜接欠佳,致使泄水道內(nèi)水流流態(tài)惡化,水流劇烈波動、左右折沖,時而伴隨水滴飛濺槽外現(xiàn)象。試驗實測泄水道內(nèi)折沖水流引起的斷面水深變差最高達4.54m。分析其原因有以下幾點:①當水庫泄洪時,水流從溢流側(cè)堰流向側(cè)槽,在側(cè)槽中水流約轉(zhuǎn)90°方向,然后沿側(cè)槽下泄,再通過泄水道將洪水排至下游。由此可見,側(cè)槽中水流是側(cè)向流進縱向泄出。當水流從側(cè)堰流入側(cè)槽后,并與側(cè)槽中水流混摻,形成橫向旋滾,水流紊動十分劇烈,水流現(xiàn)象復雜。在橫斷面上,一般靠山一側(cè)的水面高于靠堰處的水面。形成橫向水面變差是引起泄水道水流左右折沖的原因之一。②由于溢流堰下游坡比1∶0.5,而泄水道梯形斷面邊坡比1∶0.3,兩者之間以直墻扭面相連,人為造成局部三角形低凹區(qū)(圖2)。加之側(cè)堰水流下泄后轉(zhuǎn)向形成繞流脫壁流態(tài),造成局部水面凹陷,加劇了泄水道水流的折沖波動。③由于側(cè)槽內(nèi)水流運動實際上是螺旋流,橫斷面水深并不均勻。側(cè)槽末端接修一水平段或緩坡段,有利于調(diào)整水流。一般情況下,應(yīng)力求避免在側(cè)槽后緊接收縮段和急彎段。而該工程側(cè)槽后未設(shè)水平調(diào)整段,這也是泄水道水流流態(tài)惡化的直接原因。3工程小、投資省、效果好為基本原則由于該工程屬已建工程,從經(jīng)濟方面考慮,解決該工程問題應(yīng)本著原工程盡量不作較大規(guī)模的變動,以工程量小、投資省、效果好為基本原則。針對該工程存在問題,提出一種比較科學合理的工程技術(shù)措施,保證溢洪道泄洪時,側(cè)槽內(nèi)水深不致影響溢流堰泄流能力,保證溢流堰在自由流態(tài)或稍許淹沒工況運用,且達到泄水道水流流態(tài)平穩(wěn)及波動小之目的。4樓梯主編波的水特性和效率4.1不同導向消波墩設(shè)計階梯式導向消波墩(圖3)中屹立于急流中的沖擊式強迫水流導向的工程措施。該工程措施是根據(jù)側(cè)槽溢洪道的水力特性,結(jié)合某工程所出現(xiàn)的側(cè)槽與泄水道之間水流銜接欠佳,導致泄水道內(nèi)水流左右折沖并伴有水滴飛濺出槽外現(xiàn)象,經(jīng)多種方案類比試驗研究,認為該工程措施具有良好的導向消波效果。由于該工程在設(shè)計洪水位H=788.5m時,下泄流量為1406.8m3/s;而在校核洪水位H=790.5m時,下泄流量達2233.8m3/s。2種工況泄量相差827m3/s,校核流量比設(shè)計值大37%。因此若要同時保證2種工況水流流態(tài)平穩(wěn)且水面波動小難度較大。試驗研究表明,一字形布置的單導向消波墩因要滿足2種工況流態(tài),且2者泄量差值懸殊,所以要求墩體較高,除結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定問題應(yīng)予以重視外,同時溢流堰靠近側(cè)槽出口處下泄水股頂沖墩頭激起水翅較高,流態(tài)更趨惡化。同時工程量相對較大,不符合工程量小、投資省、導向消波效果好的試驗研究思路。八字形布置的雙導向消波墩,雖導向消波效果較好,但因侵占側(cè)槽出口寬度,使側(cè)槽出口寬度縮窄,不符合側(cè)槽內(nèi)沿程非恒定變量流所要求的側(cè)槽始末端寬度比Bs/Be＜12Bs/Be＜12的設(shè)計準則。因而側(cè)槽內(nèi)水流下泄不暢,形成淹沒流態(tài),降低溢流堰泄流能力,故不滿足設(shè)計要求。唯有階梯式導向消波墩能揚長避短,對各級流量均具有良好的適應(yīng)性。上下階梯緊密配合,因勢利導,優(yōu)勢互補,小流量時,下階梯產(chǎn)生效果;大流量時,上下階梯聯(lián)合發(fā)揮作用。通過增設(shè)階梯式導向消波墩,使側(cè)槽與泄水道之間水流銜接較平順,因而泄水道內(nèi)水流流態(tài)明顯改善,同時該工程措施工程量也相對減小,符合工程量小、投資省、導向消波效果好的試驗研究思路,是一種結(jié)構(gòu)簡單、施工方便的比較理想的導向消波工程措施。4.2側(cè)槽內(nèi)水流流態(tài)泄水道內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)與否是評判該階梯式導向消波墩導向消波效果優(yōu)劣的主要指標。由于受側(cè)槽水流特性的影響,致使水流通過側(cè)槽進入泄水道后左右折沖、流態(tài)惡化,這是側(cè)槽溢洪道最易出現(xiàn)的一種水流現(xiàn)象。但在側(cè)槽與泄水道之間增設(shè)階梯式導向消波墩后(平面布置見圖4),泄水道內(nèi)水流流態(tài)明顯改觀。表1所列數(shù)據(jù)是泄水道內(nèi)幾個典型斷面在設(shè)置該工程措施前后水面曲線的變化情況。同時用比值hmax/hmin來考察過水斷面的流態(tài)。一般來說,理想的水流流態(tài)hmax/hmin值應(yīng)為1。該值愈大,即表示該斷面水力要素分布愈不均勻,流態(tài)愈紊亂。由表1可以看出上述幾個典型斷面hmax/hmin值的變化情況,從而顯示了該工程措施的導向消波效果是比較明顯的。5第三,下階梯工程階梯式導向消波墩具有揚長避短對各級流量適應(yīng)性好的特點。上下階梯合理匹配,優(yōu)勢互補,在小流量時,下階梯產(chǎn)生效果;在大流量時,上下階