巴木墩水庫溢洪道的水工模型試驗分析

蔡寶柱，張勝東

（新建兵團勘測設計院（集團）有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

1 試驗工作規劃

巴木墩水庫工程位于巴木墩河出山口，該工程為巴木墩河上的山區控制性工程，水庫承擔下游農業灌溉、工業用水的調節任務。水庫的修建，可實現地表水資源的合理配置和高效利用，有效調節年內水量，提高灌溉供水保證率，保障社會穩定，促進民族團結，對社會經濟的快速發展具有十分重要的意義。其中溢洪道位于左壩肩，為岸邊開敞式側堰溢洪道，堰型為無閘側槽WES堰，堰寬40 m。溢洪道由側堰段、控制段、泄槽段、消能段四部分組成，全長450.17 m（水平投影長度）。

試驗工作主要分為三個階段。

（1）按照設計院的設計方案，對無閘溢洪道進行模型試驗驗證，觀察設計方案整體布置的合理性，并對特征水力學參數進行測驗，提交原設計方案體型模型試驗中間成果。然后通過和業主及設計單位討論溝通，提出修改優化方案。

（2）根據討論意見，對體型進行修改和優化，并對其進行試驗觀察論證，提出適合本工程的推薦體型方案。

（3）對推薦的體型進行全面測驗，為設計提供必要的依據，也為工程的運行提供參考。

2 模型設計與制作

模型按重力相似準則設計，考慮模型試驗的任務要求，并結合實驗室場地等條件，采用比尺Lr=70。流量比尺Qr=Lr5/2=40996.3；流速比尺Vr=Lr1/2=8.367；時間比尺Tr=Lr1/2=8.367；糙率比尺Nr=Lr1/6=2.030。模型泄水建筑物采用有機玻璃制作，滿足糙率相似。模型圖見圖1。

圖1 巴木墩溢洪道水工模型布置圖

對溢洪道下游出口河床沙粒徑的選擇，從大壩軸線向下游到達提供地形圖的邊界處，河道平均比降約5%，屬于山區河道，當河道行洪時，按照經驗，其河道流速應該在6 m/s左右，如果按照該流速控制，再按伊茲巴什公式：

式中：V為河床基巖抗沖流速，m/s；K為巖性系數，一般為5～7；D為河床基巖當量料徑，m。

計算得到沖刷料的當量料徑D的范圍在1.00 m～1.96 m（模型1.40 cm～2.80 cm），實際采用1.00 cm～2.50 cm。

3 原設計方案試驗

原設計方案試驗是根據設計院提供的設計圖紙，按照模型比尺1∶70 進行模型的加工制作。

3.1 庫水位～流量關系

試驗首先對原設計方案的庫水位～流量關系進行率定，特征水位對應流量見表1。

表1 側堰特征水位實測流量表

由于該工程的側堰堰型為實用堰，故按照實用堰的流量系數公式：

式中：m為堰流綜合流量系數；Q為泄洪流量，m3/s；B為堰面過水寬度，本工程為40 m；H為堰上水頭，m。

計算得到模型實測的校核洪水位流量系數為0.466，設計洪水位的流量系數為0.434，與類似工程對比，該系數在合理范圍內。

從模型實測的校核洪水位工況看，其實測最大泄洪流量535.74 m3/s，滿足設計要求的484.00 m3/s，并且超過設計要求流量的10.69%；設計洪水位工況的實測流量為230.61 m3/s，大于設計流量222.60 m3/s，超出3.60%。因此，設計側槽溢洪道的泄流能力滿足要求，并且有足夠的超泄余量。

3.2 校核洪水位流態

試驗對庫水位為校核洪水位1546.48 m，對應模型實測泄流量為535.74 m3/s運行工況流態進行了詳細的觀察。從進口側堰水流看，整體流態良好，在側堰上、下游側墻處，受側墻邊界影響，形成了水流繞流現象，對側堰的過流能力有一定的影響。水流進入側槽內，受側槽溢流堰體型特點限制，側槽內流量沿程增加，并形成螺旋水流流態，水流在溢流堰對面檔墻平均爬高9 m～11 m，沒有超過擋墻頂高程1547.50 m。其他運行工況的流量均小于該流量，水流爬高也就低于該工況，不會出現側槽段邊墻高度不足的情況，因此側槽體型設計合理。

對調整段、漸變段以及拋物線段來說，校核洪水位運行工況，其水流流態較為理想，其中水流在控制段內從螺旋水流向平順均勻流轉變過渡沒有完成，然后在漸變段繼續調整流態，同時水流從12 m寬轉換為10 m寬的矩形泄槽，到達漸變段末端水流基本調整到位，并進入拋物線段?？偟膩碚f，該區段水流過渡順暢，水面沒有超過設計邊墻頂，設計邊墻高度滿足過流要求。

對臺階段來說，由于臺階上游水流摻氣不充分，模型觀察到從第1 個臺階到第50 個臺階的水流清亮透明，從第51 個到達第80 個臺階為過渡區，水流從透明逐漸變為乳白色，第80 個臺階向下摻氣充分，全部為乳白色水流，說明自然摻氣良好，并且全段水面沒有超過臺階段邊墻。

消力池內的消能水流沒有形成完全意義上的底流消能水流流態，也就是說沒有形成穩定的躍后水面，水流在消力池末端受到尾坎的制約，水流沖擊尾坎，形成沖擊水躍，消力池尾坎水流翻滾強烈，平均水面高度在1418.50 m左右，超過消力池側墻頂1417.42 m約1.1 m，波浪最高點超過墻頂更高，必須對消力池進行修改優化。

海漫段水流擴散良好，海漫出口平均流速6 m/s左右，不會對下游河道產生太大的沖刷。

3.3 沿程水面線

試驗對原設計方案校核洪水位和設計洪水位兩工況的沿程水面線進行測驗，整個沿程水面沒有超過設計邊墻高度，并且有一定的超高余量，說明整個設計體型基本滿足泄流要求?？紤]到側槽下游的控制段、收縮段以及拋物線段的水流流態復雜，加之有可能在拋物線末端增加摻氣坎，所以拋物線段應有足夠的邊墻超高，具體數據等摻氣坎設置完成后，按照試驗數據再做調整。

對設計洪水位工況，由于流量小于校核工況，整個水面線均低于校核工況。特別對消力池來說，由于流量變小，單寬流量也相應變小，此時臺階消能比校核工況充分，因此在消力池形成較為良好的底流消能流態，并且水面高度沒有超過邊墻高度，消力池完全滿足設計洪水位工況的消能要求，其流態良好。

3.4 沿程壓強分布

通過對校核洪水位和設計洪水位兩工況沿程壓強的測驗，唯一測到的一個負壓出現在設計洪水位工況，堰面下游的4#測壓位置，其值為-0.06×9.8 kPa，可以認為其壓強接近零，其余壓強均大于此值。由于臺階流態復雜，臺階壓強分布變化與測點位置關系密切，從試驗測驗到的壓強值看，其最小壓強為校核洪水位工況的第112#臺階的27#測壓管，其壓強值-0.28×9.8 kPa，絕對量值不大，沒有超過設計規范范圍，壓強分布合理。

3.5 沿程流速分布

通過對兩個特征運行工況的沿程流速的測驗，流速沿程分布合理，沒有出現異?，F象。其中校核洪水位工況，堰頂測驗到的最大流速6.66 m/s，堰面3#測壓位置的流速約8.71 m/s，在側槽內水流為螺旋流，測驗到的橫向流速3.99 m/s。隨著水流的下泄，流速沿程逐漸增加，其中30#臺階處測驗斷面流速最大，底流速高達26.20 m/s，然后隨水流下泄，流速開始變小，到120#臺階處，測驗的流速為17.37 m/s，原因是隨著水流的下泄，自然摻氣明顯，水深增加，表現為乳白色的水流流態，并且摻氣后的水流為氣液兩相混合流，該流體對流速儀的測驗也略有影響，因此流速變小。

對設計洪水位工況來說，由于其下泄流量小于校核工況，總體來說，沿程流速也相應變小，從溢洪道上游到下游河道段，其中臺階段最大流速為9#臺階的16.20 m/s，消力池底流速最大11.94 m/s，下游河道流速基本小于5 m/s，河道的模型床沙基本沒有沖坑出現。

3.6 臺階消能率分析

為了更好的了解本工程臺階消能的效果，根據試驗測驗資料，對臺階的消能率進行相應的分析研究。一般認為，臺階面的消能形式通常是通過兩種不同形式的水流形態來實現消能的，在小流量情況下，臺階面水流呈舌狀跌落水流，薄層水流從上一個臺階跌落到下一個臺階，通過和臺階水平面的撞擊及水流紊動而消除能量，如此重復的再向下一個臺階傳下去，如此重復跌落，消除能量，該流態的臺階面消能率最高；隨著流量的不斷增大，從臺階頂部射出的流速逐漸增大，舌狀跌落水流向滑移水流轉化，在臺階面滑移流條件下，水流的能量主要通過水流在臺階面上的裂散摻氣以及主流和底部漩渦之間的紊動交換實現。國內外對臺階面消能率的計算方法各有不同，計算的結果也有差異。這里采用如下方法來進行臺階消能率的計算，在臺階起點（拋物線末端）0+028.67 處選取計算起始1-1 斷面作為上游計算斷面。對下游斷面的選取，考慮到各個工況臺階與消力池的流態銜接，因此在臺階末端（消力池上游）的第120 號臺階0+268.67 處選取計算末端斷面2-2 斷面來對臺階段進行臺階段消能率的計算，其中1-1 斷面為拋物線末點，渠底高程1530.415 m；2-2 斷面為臺階段下泄水流在消力池的潛入點上游穩定處（第120 個臺階處），臺階面高程1410.415 m，并以此斷面做為計算基準面。對兩個特征洪水位運行工況的臺階面消能率進行分析研究，并且定義消能率計算公式如下：

式中：E1為上游計算起始斷面的總能量，E2為下游計算斷面的總能量，分別為上、下游斷面的底部相對高程，m；h1、h2分別為上、下游斷面的平均水深，m；v1、v2分別為上下游斷面的平均流速，m/s。

通過對兩個不同工況對應流量的試驗，按照試驗實際測驗的斷面平均水深，計算出對應的斷面平均流速，得到兩個不同泄流量臺階面的消能率結果列入表2。

表2 臺階消能率計算匯總表

4 結論

通過對設計方案流量率定，沿程水面線以及壓強的測驗，從測驗的結果及流態觀察情況看，可以初步得到以下結論：①巴木墩水庫溢洪道整體布置合理，進口流態基本良好；②校核洪水位工況最大泄流量535.74 m3/s，滿足設計要求的484.00 m3/s，且超泄10.69%，進口體型尺寸設置合理；③設計洪水位工況模型實測流量為230.61 m3/s，略大于設計流量222.60 m3/s，差值為3.60%，說明設計計算基本正確，參數選擇合理；④臺階消能率校核洪水位工況為83.26%，設計洪水位工況為89.72%，消能效果非常明顯；⑤消力池在校核洪水位運行工況，沒有形成底流消能水流流態，且消力池末端水面超過邊墻高度，應對消力池進行必要的優化，以滿足泄洪消能要求；⑥由于臺階水流流態復雜，為了避免臺階局部負壓引起水流空化，試驗將在臺階起點設置摻氣設施，達到摻氣減蝕的目的；⑦各運行工況，溢洪道下游海漫與自然河道水流銜接良好，不會對河道產生大的沖刷。