溢洪道进水渠导墙对下泄流量的影响分析

溢洪道进水渠导墙对下泄流量的影响分析

罗林

昭通市水利水电勘测设计研究院  云南昭通  657000

摘要：以双河水库溢洪道水工模型试验为例，通过水工模型试验分析进水渠导墙对溢洪道过流能力的影响。分别对调整靠坝侧左圆弧导墙长度及同时调整靠山侧导墙型式，进行调整前后的水工模型试验比较，并对调整前后在进水渠和实用堰堰顶断面处的水流流态、水深和综合流量系数的分析，得出最终影响下泄流量的主要原因，为今后溢洪道设计积累经验。

关键词：溢洪道；进口导墙；过流能力；水流流态；水工模型试验

引言

根据现行规范[1]，溢洪道进水渠布置应根据地形地质条件和建筑物间关系，因地制宜，使水流平顺入渠，体形宜简单，当进水渠紧靠坝肩布置时，靠坝一侧应设置顺应水流的曲面导水墙，靠山一侧宜开挖或衬护成规则曲面。双河水库溢洪道布置于大坝右岸坡，右侧山体较高，为尽量减少对自然环境的破坏，减少弃渣，防止水土流失，溢洪道紧靠右坝肩布置，靠山侧右导墙为顺应地形减少开挖从闸前调整段末设渐变段从竖直导墙渐变为贴坡式导墙。由于右坝段趾板开挖，溢洪道进水渠靠坝侧左导墙布置受限，靠坝侧左导墙需减短，按趾板开挖线布置靠坝侧左导墙为圆弧导墙长18.8m。根据文献[2-3] ，溢洪道进口形式不当，将致使进口特征断面流速分布极不合理，水流流态紊乱，降低过流能力，影响溢洪道正常运行，甚至危及建筑物防洪安全。为确保工程安全运行，通过水工模型试验验证双河水库溢洪道进水渠导墙布置是否合理，了解过流能力情况，再对导墙进行调整确定最优设计方案。

1．工程概况

双河水库[4]位于昭通市彝良县荞山乡双河村的角奎小河的右岸支流咪咡河上。角奎小河是金沙江一级支流横江的右岸支流，属于金沙江下段水系。水库距县城43km，距昭通市114km。是一座以灌溉为主，兼顾农村人畜生活供水、下游防洪保护作用的一项综合利用的水利工程。水库总库容2180万m3。

双河水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水隧洞组成。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高82.5m，双河水库工程规模为中型水库，工程等别为Ⅲ等。大坝级别为2级，溢洪道、输水隧洞级别为3级。洪水标准为：50年一遇洪水设计，下泄流量387.00m3/s；1000年一遇洪水校核，溢洪道下泄流量778.50m3/s。消能防冲建筑物洪水标准按30年一遇洪水设计，溢洪道下泄流量353.00 m3/s。

溢洪道为河岸开敞式有闸控制溢洪道，紧靠右坝肩布置，总长230m，包括进口段、控制段、泄槽段、出口消能段[5]。

进口段：由导墙及过渡段组成，底坡为i=0.00的平坡，底板高程1402.3m。靠坝侧左导墙为光滑的圆弧导墙，导墙底板与大坝趾板开挖线相连，长23.80m，桩号自0+000m～0-022.000m，其圆弧半径为39.75m，圆心角为34°,导墙总高13.9m；靠岸坡侧右导墙长37.84m，桩号自0+000m～0-037.789m为衡重式导墙紧靠岸坡布置，导墙总高15.1m。桩号0+000m～0+019.000m为过渡直线段,长19m,底宽20.48～18.50m,边墙高同前,为矩形断面，左边墙与趾板及面板紧密相接。

控制段：采用WES型实用堰溢流，桩号0+019.000m～0+041.000m，长22m，上游堰高2.7m，堰顶高程1405m，在堰顶设2套8×6.5m的弧形钢闸门控制泄洪，采用2台液压式启闭机(型号QHLY-2×630kN)进行启闭,闸墩由一个中墩和两个边墩组成,墩顶高程1415.5m，中闸墩厚2.5m，左边墩顶厚2.0m，右边墩顶厚2.5m，溢流净宽16m，分两孔泄洪，单孔宽8m。

泄槽段：泄槽底坡设为两级，前缓后陡,并在前段设置收缩段，收缩角为5.3°，收缩段斜长35.258m，底宽由18.5m收缩为12.0m；两陡坡变坡处采用抛物线连接，抛物线方程为y=0.121x+0.0135x2。桩号0+041.000m～0+081.056m为缓坡段，斜长40.351m，底坡i=0.120，底宽为18～12m，挡墙高度为7.0m；桩号0+081.056m～0+100.046m为抛物线连接段，长20.469m，底宽为12m，挡墙高度为7.0～5.7m；桩号0+100.046m～0+153.611m为陡坡段，长64.26m，底坡i=0.552，底宽为12m，挡墙高度由7.0m渐变到4.5m。

挑流鼻坎及护坦段：桩号0+153.611m～0+176.020m为挑流鼻坎段，长22.409m，宽12m，鼻坎高程1349.401m，反弧半径20m，挑角25°，挑入下游河床。为防止小流量泄流对鼻坎基础的淘刷，设护坦段长15m。

2．进水渠导墙布置方案

调整前：根据大坝趾板开挖后地形布置进水渠左圆弧导墙长18.8m，靠山侧右导墙为顺应地形减少开挖从闸前调整段末设渐变段从竖直导墙渐变为贴坡式导墙。见图1。

调整后：调整左导墙将基础回填加固后布置进水渠左圆弧导墙长23.8m，比调整前增长约5m；靠山侧右导墙取消渐变段和贴坡式导墙，延长调整段竖直导墙。见图1。

溢洪道模型[6]按重力相似准则设计，采用正态模型。经计算比较模型最终选用比尺为λL=36，相应比尺参数：

流量比尺：λQ=λL5/2 =7776；

时间比尺：λT=λL1/2 =6；

流速比尺：λV=λL1/2 =6；

糙率比尺：λn=λL1/6 =1.819。

模型材质用有机玻璃制作，其糙率满足试验要求（有机玻璃糙率n=0.007～0.009，混凝土糙率n=0.014～0.017，原型与模型糙率比为1.56～2.43）。

3．进水渠水流流态观测分析

3.1调整前进水渠水流流态观测分析

调整前经水工模型试验对溢洪道进口段水流流态及控制段下泄流量进行观测：

设计洪水（P=2%）Q=387.0 m3/s流量下，溢洪道进口左侧边墙位置处产生水面跌落（最大水面跌落差0.29m），水面跌落后伴有右向横向水流及回流现象；溢洪道进口右侧扭面导墙与过渡直线段边墙衔接处同样产生水面跌落（最大水面跌落差0.54m）并伴有左向横向水流。受左、右横向水流的影响，溢洪道进水渠段水流沿纵向形成明显的分界线（分界线偏向右侧边墙），分界线左侧水流流速较大，水面低于分界线右侧水流。控制段受溢洪道进口左、右两侧横向水流影响，堰前水流较为紊乱（闸前左侧水流明显比右侧水流紊乱），水流沿横断面分布不均，加之闸墩首部的明显顶托，致使水流进入控制段后，左侧堰面水深明显低于右侧堰面。控制段堰顶水深左孔堰上水头为3.96m，流速为5.81 m/s；右孔堰上水头为4.43 m，流速为5.73 m/s。

校核洪水（P=0.1%）Q=788.5流量下，溢洪道进口左侧边墙位置处产生水面跌落（最大水面跌落差1.01m），水面跌落后伴有明显的右向横向水流及回流现象；右侧扭面导墙与过渡直线段边墙衔接处，同样产生明显的水面跌落（最大水面跌落差0.72m）并伴有左向横向水流。左侧右向横向水流的影响加大，溢洪道进水渠段水流沿纵向形成更加明显的分界线：分界线进一步右移，左侧水流紊乱程度加大，右侧水面受到顶托，分界线两侧水深差值加大，达0.15m。受溢洪道进口左、右两侧横向水流影响，控制段堰前水流更为紊乱、并伴有空气泡产生，水流沿横断面分布极为不均，加之闸墩首部的明显顶托，致使水流进入控制段后，左侧堰面水深明显低于右侧堰面，控制段堰顶水深左孔堰上水头为6.12m，流速为7.32 m/s；右孔堰上水头为6.66m，流速为7.34 m/s，溢流堰堰面左、右两孔最大水面差达0.59m。

靠坝侧左导墙，发现左侧边墙位置处产生水面跌落和横向折冲水流影响较大，且随着下泄流量加大而增强，校核流量下该处跌落达1.01m；在右导墙渐变段处同样产生左向横向折冲水流，并伴有水面跌落校核流量下该处跌落达0.72m。受溢洪道进口左、右两侧横向水流影响，控制段堰前水流更为紊乱、并伴有空气泡产生，水流沿横断面分布极为不均，致使水流进入控制段后，左侧堰面水深低于右侧堰面0.59m。随下泄流量的增加，上述水流特征更加明显。说明过堰水流已相当紊乱，左、右闸孔水流极不对称，已经影响到溢洪道的泄流能力。溢洪道进口边墙体形不理想，需要进行调整。由于受地形及大坝趾板位置限制，经对左圆弧导墙基础进行回填加固处理后长度最多能增长5m，增长至23.8m；右导墙渐变段处同样产生左向横向折冲水流，并伴有水面跌落校核流量下该处跌落，因此取消了右导墙贴坡设计和渐变段，直接延长直墙导墙。

3.2调整后进水渠水流流态观测分析

对溢洪道进口左、右导墙进行调整后：进水渠靠坝侧左圆弧导墙长23.8m，比调整前增长了约5m，靠山侧右导墙取消渐变段和贴坡式导墙，延长调整段竖直导墙。水工模型对溢洪道进口段及控制段水流流态进行观测：

进水渠段水流纵向分界线不再明显，右侧边墙未发现水面跌落；尽管进口左侧仍然受横向水流影响，出现水面跌落，但闸前水流横断面水深及流速分布均趋于均匀。设计流量Q=387.0 m3/s，控制段堰顶水深左右堰上水头均为3.96m，流速左右孔均为6.11 m/s；校核流量Q=788.5 m3/s，控制段堰顶水左孔堰上水头为6.30m，流速为7.49 m/s；右孔堰上水头为6.48m，流速为7.74 m/s。

经调整后，右侧导墙已无折冲水流影响，水流平顺；左圆弧导墙处仍有水面跌落现象和横向折冲水流影响，其主要原因是左圆弧导墙长度还不够。但跟调整前相比，进口水流流态已有很大改善，进口水流流态相对平顺，控制段处水流流态也有较大改善，设计洪水情况下左右孔堰上水头齐平，校核洪水情况下左右孔堰上水头差已由调整前的0.59m下降到0.18m。说明进口水流流态的改善，一定程度上提高了溢洪道的过流能力。

4．过流能力分析

调整前，经水工模型试验，根据自由泄流测试，测得溢洪道控制段WES实用堰的综合流量系数m介于0.368～0.426之间。各特征水位所对应的下泄流量及综合流量系数见表1。

表1      调整前实测特征水位～流量关系及综合流量系数表

调整后，经水工模型试验，根据自由泄流测试，测得溢洪道控制段WES实用堰的综合流量系数m介于0.394～0.432之间。各特征水位所对应的下泄流量及综合流量系数见表2。

表2    调整后实测特征水位～流量关系及综合流量系数表

溢洪道综合流量系数m用实测流量、水位值按堰流公式：Q=Bm，进行反算求得。

调整前后试验结果表明：在各种洪水频率情况下，下泄相同的流量，调整后的综合流量系数比调整前大，对应的库水位越低，亦即所需大坝坝体高程越低。

5．结束语

根据水工模试验，以本工程为例，只是对双河水库溢洪道进口进行微调，靠坝侧左圆弧导墙长度增长了约5m；右侧导墙取消了渐变段。进水渠水流流态由紊乱、回流并伴有空气泡的流态变得平顺；差不多消除了控制段左右孔堰上水头差；综合流量系数由0.368～0.426提高到0.394～0.432。在下泄相同的流量下，调整后的综合流量系数比调整前大，对应的库水位越低，亦即所需大坝坝体高程越低。若进口体形设计较差，或者因方便施工或受其它建筑物影响，取消靠坝侧导墙，综合流量系数将影响更大，会大打折扣，导致溢洪道泄洪能力急剧下降，在遇到校核等较大洪水时，大坝会因溢洪道下泄不了洪水而出现洪水翻越大坝坝顶，导致溃坝现象，将给工程及下游人民带来生命安全隐患。

根据相关文献[7-11] 均表明：溢洪道进口导墙具有改善进水口边界条件以确保溢流堰稳定泄流、调整进口水流流态、削弱水流对水工结构的冲击作用等功能，在水利枢纽正常运行过程中扮演着十分重要的角色。溢洪道进口导墙设计应根据不同地形地质，因地制宜，采用相应的流线型顺应水流的曲面导水墙。避免在进口前缘产生折冲水流或漩涡回流，使水流平顺入渠，入流均匀，从而有效提高溢洪道控制段的泄流能力。

溢洪道进水渠因水流流速较低，对结构设计要求不高，常被设计人员忽视，进水口设计较为随意，或者为了方便施工或受其它建筑物开挖影响，随意改变或取消溢洪道进水渠导墙。甚至控制段流量系数单纯按规范公式或教科书公式计算应用于设计中，不考虑进水渠导墙或不注重进口导墙体形对流量系数的影响，设计出现脱节，将导致溢洪道实际下泄能力低于设计下泄能力。其设计后果严重影响水库大坝的安全运行。

参考文献：

[1]《溢洪道设计规范》（SL253—2018） 中华人民共和国水利行业标准，中华水利水电出版社出版[S].2018.7。

[2] 王玄,王均星,崔金秀.龙背湾溢洪道进水渠导水墙体型优化试验研究[J].中国农村水利水电,2009(07):100-102+104.

[3] 郭红民,王晓军,许宏鋆,杨莹,张达,康文博.侧槽式溢洪道进口水流条件优化数值模拟[J].水电能源科学,2022,40(05):109-112.

[4]彝良县双河水库工程初步设计报告 [R].2009.07。

[5]云南省彝良县双河水库溢洪道单位工程验收设计工作报告[R].2014.06

[6]云南农业大学水利水电与建筑学院（云南希水科技有限责任公司），云南省彝良县双河水库溢洪道水工模型试验报告[R].2010.04

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[11] 汤之飞,邱勇,焦萱,等.不同来流条件对溢洪道过流能力的影响[J].水利规划与设计,2020(01):158-162.