盛洋洋

（遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，遼寧沈陽110166）

溢洪道加固設(shè)計及紊流流場特性分析

盛洋洋

（遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，遼寧沈陽110166）

文中結(jié)合遼寧大伙房水庫除險加固工程實例，針對主溢洪道泄流能力不足及水工結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重問題，分析了溢洪道運(yùn)行存在的主要問題，提出了加固改建方案，并通過數(shù)值模擬對新溢洪道方案三維紊流流場特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，新設(shè)計溢洪道運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足水庫在不同泄流量情況下的運(yùn)行需求。

大伙房水庫；溢洪道；加固改建；設(shè)計；流場特性

1 工程概況

大伙房水庫位于遼寧省境內(nèi)，是渾河流域上一座綜合性水利樞紐工程。工程樞紐建筑物主要包括主副壩、輸水洞、溢洪道、電站和取水口。溢洪道有三座，為主溢洪道和兩座非常溢洪道。主溢洪道結(jié)構(gòu)總寬度為52.0 m，地址在主壩右側(cè)；型式結(jié)構(gòu)為陡槽式溢洪道，閘孔數(shù)量為5個，各閘孔寬度在10.4m。溢流堰為非真空實用堰，高度為3 m，堰頂高程在125.0 m[1]。近年來，隨著水庫水位的變化，溢洪道泄量應(yīng)在設(shè)計泄量和校核泄量下分別達(dá)到3 858.6 m3/s和4 854.36 m3/s，而原有設(shè)計泄量已不滿足現(xiàn)階段水庫運(yùn)行需求。

1.1 溢洪道運(yùn)行問題

工程除險加固施工方案落實之前，對溢洪道泄流能力及水工建筑物運(yùn)行性能進(jìn)行重新復(fù)核。結(jié)果表明，溢洪道在高水位泄流情況下，溢洪堰水流下放出現(xiàn)明顯的淹沒出流情況，相應(yīng)的溢洪堰流量流量系數(shù)發(fā)生較大的下降，通過水工模型實驗亦得出同樣的結(jié)果。整個溢洪道水面線出現(xiàn)不同程度的問題，造成現(xiàn)狀水庫運(yùn)行情況下泄流建筑物與翼墻抗沖刷能力不足。水工建筑物方面，溢洪道閘墩、邊墻等混凝土結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)育程度較高，混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度偏低，表層混凝土普遍剝蝕、脫落以及部分鋼筋外露情況，不滿足嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土使用標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，相應(yīng)附屬配套設(shè)施也達(dá)不到現(xiàn)狀洪水條件下的使用要求，如閘門緣底高程偏低、啟閉機(jī)能力不足等。

2 加固改建設(shè)計

考慮工程地質(zhì)條件及場地布置情況，設(shè)計主溢洪道仍沿著原軸線布置，對原有溢洪道結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行保留，但需對結(jié)構(gòu)高程或混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。保持溢洪道堰體、引水段、陡槽段等結(jié)構(gòu)邊墻與底板位置不變，增加結(jié)構(gòu)高程。溢洪道主要加固改建措施主要包括以下幾個方面：

1）通過預(yù)裂爆破方式將原重力式擋土墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)除去0.5m，并在其上重新澆筑混凝土，新?lián)跬翂Y(jié)構(gòu)墻頂高程141.5m。

2）除去樁號0+54.56～0+82.28段陡槽底板，并重新澆筑混凝土，新澆筑混凝土坡度控制在0.055 22，厚度為1 m。為保證澆筑混凝土的穩(wěn)定性，通過施加錨筋方式進(jìn)行加固。拆除溢洪道閘墩及其上構(gòu)筑物，并按照新設(shè)計方案進(jìn)行重建。

3）全部拆掉陡槽段邊墻，新建邊墻仍采用復(fù)式過流斷面，但需增加邊墻墻頂高程，各樁號高程增加值如表1所示。為避免水流沖刷破壞邊墻底板結(jié)構(gòu)，采用抗沖混凝土進(jìn)行處理，并用混凝土對邊墻兩側(cè)山體進(jìn)行護(hù)砌[2-3]。

表1 邊墻高程設(shè)計值

4）溢洪道閘孔數(shù)量仍保持5個，結(jié)合溢洪道錯峰擋水位情況，將閘門規(guī)格改為10.4 m×8.7 m。新溢洪道工程堰頂高程與溢流堰高度分別為125 m、3.0 m，溢流堰結(jié)構(gòu)尺寸寬度調(diào)整為60 m。新建4個閘墩厚度為2 m，將工作橋設(shè)置在閘墩下游，工作橋左右兩端分別連接壩頂公路與檢修橋。鑒于原有閘門緣底高程與支鉸高程不足，調(diào)整高程分別為為137.0 m和131.5 m。

3 紊流流場特性模擬分析

溢洪道水流流態(tài)模擬運(yùn)用VOF方法，計算模型選擇RNGK-ε，采用流體模擬軟件對新設(shè)計溢洪道流場特性進(jìn)行分析[4-5]。結(jié)合大伙房水庫運(yùn)行水位需求，模擬水位高程在128 m、131 m、134 m、138 m和140 m情況下的溢洪道泄流量情況。

3.1 水面高程變化

自由水面是水庫設(shè)計中的重要參考依據(jù)，同時也是水庫管理維護(hù)的重要指標(biāo)。模擬中參考水庫新水位變化，分析了溢洪道在5 000m3/s和3 000m3/s兩種泄流量條件下的水面線變化情況。分析不同泄流量下的水位線變化曲線可知，溢洪道水面高程變化較為合理，并且兩種泄流量溢洪道水面線變化趨勢基本一致，與物理實驗結(jié)果極為相似。溢洪道進(jìn)水口位置的水位線變化波動較為嚴(yán)重，此處水流情況較為復(fù)雜。收縮段水面出現(xiàn)一定程度的壅高，這與實際情況十分接近。雖然模擬進(jìn)水口水面存在一定的誤差，但堰頂和泄槽內(nèi)水面結(jié)果較為準(zhǔn)確，能夠反映加固改建后溢洪道的水面高程變化特性。

3.2 堰面壓力情況

不同泄流量條件下溢流堰堰面壓力水頭變化如圖1所示。溢流堰堰面壓力水頭變化曲線整體呈一種反向的拋物線，壓力水頭變化先減小至一定值后逐漸增加。壓力水頭最小處發(fā)生在溢流堰最高點，約在距離溢流堰起點6 m位置。壓力水頭值在，并沒有出現(xiàn)負(fù)壓力水頭情況。溢洪道閘孔數(shù)量為5個，呈對稱分布，溢流堰兩側(cè)閘孔壓力水頭分布情況十分接近，并且中間閘孔的堰面壓力水頭要小于兩側(cè)閘孔。在泄流量較小的情況下，溢洪道個閘孔壓力變化基本吻合，數(shù)值大小也較為接近，而隨著泄流量的增加，兩側(cè)壓力值會逐漸增加。

圖1 不同泄流量溢流堰面壓力情況

3.3 斷面流速

模擬中選取溢洪道兩個典型斷面的流速情況，分別取上游斷面0+130和下游斷面0+290，得到不同泄流量條件下斷面速度，其結(jié)果如表2所示。分析表中數(shù)據(jù)可知，上游平均斷面流速小于下游，陡槽坡度的變化使得溢洪道水流斷面流速自上游向下游逐漸增加。隨著溢洪道泄流量的增加，斷面流速亦逐漸增加，并且上游流速增加值要超過下游，符合斷面流速變化設(shè)計要求。

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