曲大力

（松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

龍屯水庫庫容為 1.15×108m3，為大（2）型水庫。龍屯水庫溢洪道的彎道有三處，沿泄流方向轉角分別為順時針45°，逆時針3.97°和順時針10.67°。龍屯水庫溢洪道除險加固工程中，工程設計單位將溢洪道布置為彎曲溢洪道是依托有利地形，避免深挖，將其布置在穩(wěn)定的地基上，并考慮到巖體結構特征和地質構造以及水文地質條件對溢洪道及邊坡穩(wěn)定的不利影響。

1 水工模型

1.1 模型設計

設計方案溢洪道為4孔敞泄式溢洪道，單孔凈寬為10.0 m，泄流總凈寬為40.0 m，堰型為駝峰堰，溢洪道控制段后接彎道段，彎道段出口接一級綜合式消力池，池長35.0 m，池深2.8 m，消力坎高1.0 m，一級消力池接陡槽段，陡槽全長520 m，寬46 m，二級消力池為綜合式消力池，池深3 m，長40 m，消力坎高1 m。

根據試驗任務要求，模型按重力相似準則設計[3]，選幾何比尺為1∶50的正態(tài)定床清水模型進行試驗研究。根據重力相似準則所得出的模型比尺見表1。

表1 模型試驗比尺

1.2 模型制作

根據相似比尺和模型試驗任務要求，模型模擬樁號0+0.00以上120 m，鉛絲石籠下游100 m（樁號為0+804處）的地形，整個模型包括上游穩(wěn)水池，平水溢流設施，300 m的庫區(qū)河道，溢洪道以及鉛絲石籠下游至0+804 m斷面的下游河道，量水堰等部分，模型占地約30 m×15 m。

庫區(qū)及下游河道地形根據設計提供的1∶1000地形圖，按斷面模板法制作，模板間隔50 cm，相當于原型25 m，整個地形均用水泥砂漿制作。

泄水建筑物中溢流堰、控制閘門、陡槽溢洪道、兩級消力池、護坦部分均采用有機玻璃制作，鉛絲石籠部分鋪設大粒徑砂石。

1.3 數據采集與處理

流量采用薄壁堰量測。對于較大流量采用90 cm寬的矩形等寬薄壁堰量測，較小流量采用90 cm寬的直角三角形薄壁堰量測，堰高均為30 cm，其堰上水頭采用水位測針量測。

庫水位用設在庫內的旁通管量測，沿程各斷面水位采用水位測針量測，各點壓強采用測壓管量測，流速采用智能微型旋漿流速儀量測。

2 試驗結果及分析

2.1 水位與泄流量

通過模型試驗實測了泄洪閘1孔、2孔、3孔及4孔全開時的水位與泄流量關系，相應的水位與泄流量關系曲線見圖1、圖2。

圖1 閘門開啟1～3孔時實測水位與流量關系

圖2 實測與設計閘門4孔全開時水位與流量關系

由圖可知，水位與泄流量近似呈線性關系，并且水位相同時，實測流量略大于設計流量。如50年一遇洪水時，庫水位為74.22 m，設計流量為1419 m3/s，實測值為1624.94 m3/s，其過流量已超過100年一遇洪水的泄流量1613 m3/s，庫水位在68.71～75.27 m之間時，相應流量為38.077～1867.44 m3/s。試驗結果表明，原設計駝峰堰的泄流量滿足設計要求。

2.2 水流流態(tài)特征

2.2.1 堰后水流流態(tài)

50年一遇、100年一遇洪水情況下，4孔閘門全部開啟后，閘后水流流態(tài)特征為：水流流經駝峰堰，形成堰流，過堰水流在重力作用下自由下泄，流線收縮，水面產生跌落。墩后受水流沖擊波交匯的作用，在樁號0+270前形成菱形波面，閘墩后有漩渦，水位較低，水流交匯處及兩岸邊壁水位較高，在0+250斷面中心線處水面達到最高點。尤其是100年一遇洪水時，菱形波更加明顯，起伏也較大，由于大坡降的作用，過堰水流流速也不斷加大。

2.2.2 彎道段的水流流態(tài)

溢洪道最大的彎道段在樁號0+250～0+332.47之間，50年一遇洪水彎道段水流流態(tài)特征為：

彎道水流由于受到重力和離心慣性力的共同作用，自由水面的平衡狀態(tài)遭到破壞，使得自由液面凹岸高，凸岸低，消力池呈現(xiàn)不對稱入流。同時由于下游消力池水流的頂托作用，使消力池內部淹沒水躍向上游移動，水躍頭部位于0+280斷面處，凸岸水面有回流，在0+310～0+330斷面之間形成豎向漩滾。在彎道段，水面低于兩岸邊墻。

2.2.3 消力池內水流流態(tài)

試驗觀測了溢洪道50年一遇洪水一級消力池、二級消力池內的水流流態(tài)特征。由于上游水流能量不太大，一級消力池內形成淹沒水躍，躍前斷面位于消力池進口上游0+280斷面處。由于上游彎道水流影響，一級消力池內主流仍偏向左岸，消力池尾坎阻擋使池內左岸產生涌浪，水面明顯高于右岸，水流間歇性涌出左岸邊墻。左岸主流受消力坎阻擋，沿消力池末端向右岸回流，形成豎向漩滾，而沿消力池底板由左向右流動的水流，受右岸邊墻阻擋，靠近右岸邊墻形成縱向漩滾。在消力池末端，水面高過邊墻頂部，水流溢出。

在50年一遇洪水時，泄槽下游二級消力池水流流態(tài)特征為：經一級消力池末端流出的水流主流偏向左岸，經光滑溢洪道折沖后仍偏向左岸，在消力池內形成淹沒水躍，躍前斷面位于樁號0+610處，水躍表面漩滾靠近左岸。右岸回流形成豎向漩滾，靠近右岸邊壁則形成縱向漩滾。之后水流沿坎頂溢出，水流湍急而紊亂，水花劇烈翻滾，對下游將造成嚴重沖刷破壞。

2.3 水面曲線

試驗分別沿溢洪道中心線、左邊墻及右邊墻在樁號0+210 m，0+230 m，0+250 m，等25個斷面對水面高程進行量測。

試驗得出：由于離心力的作用，溢洪道下泄水流在彎道處產生急流沖擊波，使主流偏向凹岸。流經光滑泄槽時，形成兩股水流，這兩股水流相互作用，主流擴散折沖轉向，使水面形成斜向波浪，在溢洪道末端主流仍位于左岸。

由測量數據知50年及100年一遇洪水時，一級消力池0+395.00斷面左岸，二級消力池0+634.4斷面左岸和0+650斷面右岸，水面高程略高于設計邊墻頂部，邊墻高度不滿足要求，修建時需要相應的加高。

2.4 沿程壓力分布

試驗中對溢洪道底板壓力的測量采用測壓管量測，測點沿溢洪道底板中心線布置，全程共66個測點。經測量，50年、100年一遇洪水時，沿程各測點壓強水頭平均值大于0，無負壓，產生空蝕的可能性極小。

2.5 流速分布

試驗測量了溢洪道各斷面速度值，得出：斷面0+210至0+250流速趨于均勻分布，兩岸速度值近似相等。進入彎道后，由于水流受離心力作用，主流偏向凹岸，左岸速度值明顯大于右岸。光滑泄槽內由于水流折沖轉向，斷面流速分布左右極不均勻，主流所在一側速度值較大，另一側速度值較小。如0+410斷面至0+470斷面及0+550斷面至0+610斷面，左岸速度值較大，而右岸流速較小。由于沖擊波的影響，上下游兩級消力池內流速分布左右極不均勻，呈現(xiàn)出沿左岸流速較大，中部及右岸流速相對較小的情況。

2.6 消能率計算

測量斷面上單位重量液體的所具有的總能量E，采用公式（1）計算：

式中：z代表位置水頭，α代表動能修正系數（通常取值1.0），v代表流速，g為重力加速度。

表1、表2分別為50年、100年一遇洪水時一級消力池、光滑泄槽和二級消力池消能率實測值。

表1 50年一遇洪水各級消能工的消能率

由表中數據可知，一級消力池內由于形成了淹沒水躍，因此，消能率較低。由表1，2可知，50年一遇洪水時光滑泄槽的消能率（31%），明顯大于100年一遇洪水時光滑泄槽的消能率（15%），兩者相差近一倍。

表2 100年一遇洪水各級消能工的消能率

3 結論分析及存在的問題

1）駝峰堰泄流量的實測值明顯大于相同庫水位下的設計值，經計算庫水位在69.04～75.27 m之間時，駝峰堰流量系數在0.423～0.509之間變化。試驗證明，溢洪道實測泄流量略大于設計值，設計駝峰堰具有超泄能力，泄流量滿足設計要求。

2）溢洪道上沿程各測點壓強水頭實測值均大于零，無負壓，產生空化空蝕可能性極小。

3）由水面曲線分析可知，一級消力池及二級消力池末端水面高于邊墻頂部，邊墻高度不滿足過流要求，相應邊墻需加高。

4）從水流流態(tài)特征分析可知，一級消力池深度和長度能夠滿足100年一遇泄流要求，但二級消力池尺寸不能滿足50年一遇設計洪水的安全下泄，因此該消力池需適當加長加深。

5）受彎道急流沖擊波的影響，溢洪道整體水流流態(tài)較差，水面線呈現(xiàn)不對稱分布，水面波動大，兩岸水面高差大，彎道段流速、流態(tài)分布較復雜。建議在實際工程中采用合理有效的措施，如導流墻、斜檻法、渠底超高法[4]等，來調整彎道水流對工程的不利影響，其工程措施及最佳方案有待更進一步的研究。

[1]張銀華.彎道急流的改善措施研究[D].鄭州∶鄭州大學，2006.

[2]郭維東，裴國霞，韓會玲.水力學[M].北京∶中國水利水電出版社，2005.

[3]南京水利科學研究院，水利水電科學研究院.水工模型試驗[M].北京∶水利電力出版社，1985.

[4]克納普(R.T.Knapp).1958.急流渠道曲線段的設計[M].高速水流論文譯叢.科學出版社.