除險加固水庫新建溢洪道水力模型試驗研究

史 明

（額敏縣水利管理總站，新疆 額敏 834600）

1 引言

目前，我國已經建成水庫8 萬多座，其中大型水庫有500多座，位居世界首位。水庫在防洪、發電、供水和灌溉方面起著重要的作用，對我國的環境保護和農業生產發揮了顯著的效益，也明顯加快了我國經濟建設和社會發展步調[1]。我國水庫主要建設于上個世紀60 年代前后，受到建設期經濟的制約和技術的限制，這些水庫基本都存在建設標準低、整體施工質量差等現象，且在近半個世紀的運行中存在管理手段相對落后、維護與更新力度不足，缺乏專業的技術人員等因素，導致水庫年老失修問題嚴重，其中部分水庫處于“帶病”運行狀態，存在一定的潛在危險[2]。因此，針對“帶病”水庫的除險加固研究顯得格外重要，“帶病”水庫的除險加固可以增強水庫的儲備的調度能力，加強水庫的防洪功能，最大限度的發揮水庫的綜合效益[3]。同時，水庫的除險加固還能消除水庫的安全隱患，避免水庫出現潰壩等嚴重危害人民群眾生命財產安全等事件的發生[4]。

近些年來，針對水庫除險加固的研究越來越多，研究主要集中于水庫危險性程度的鑒定[5]、風險預警方法[6]、加固理論和效果[7]等方面。以上研究對于及時評價水庫危險性、采取合理的監控手段、采取相應的處理措施、進行水庫處理效果評價有非常重要的意義。根據統計資料顯示[8-10]，水庫因為泄洪能力不足而導致的漫頂為潰壩的主要模式。因此，針對水庫除險加固處理過程中溢洪道修建顯得格外重要，以此來增加水庫防洪、調度能力，降低水庫潛在威脅。隨著水力模型試驗的日趨成熟與完善，使得水工建筑物水力特征的研究更為完善，對水工建筑物的評價更為科學，利用水力模型試驗研究，能夠直觀預測除險加固效果，準確對除險加固效果進行評價。

2 工程背景及試驗參數

2.1 工程背景

選定西部山區某水庫進行研究，水庫流域控制面積292 km2，水庫總庫容1.93 億m3，是一座以防洪灌溉為主的大（2）型水利樞紐。水庫修建于上世紀60 年代，限于當時建設標準低、施工技術差，水庫建設完成后數十年經過多次修繕，修繕后水庫依然存在部分質量問題，表現為明顯的泄流能力不足，安全隱患嚴重。在20 世紀初，水利部對國內水庫運行情況進行鑒定時，將該水庫劃定性為重點危險水庫。針對該水庫的除險加固包括大壩加固、溢洪道重建、輸水隧洞防滲漏處理等工作，本文對水庫除險加固中的新建溢洪道進行研究。

新建溢洪道主要包括引渠段、控制段、陡坡段、一級消力池、泄槽段、二級消力池及尾水渠段，總長683 m，其中新建溢洪道各段分段號及技術參數見表1。

新建溢洪道段內設置有2 個彎道，其中1#彎道樁號為0+096～0+243，彎道中心線半徑210 m。2#彎道樁號 0+406～0+426，中心線彎道半徑227.4 m。

2.2 試驗參數

溢洪道水流主要受重力作用，因此對新建溢洪道水力模型宜采用重力相似原則進行設計，以保證水流流態和集合邊界條件相似。結合現場試驗條件，確定模型幾何比例λL=50，模型水力參數見表2。

表2 模型水力參數

水力模型制作材料使用有機玻璃，新建溢洪道運行工況分別為考慮50 年一遇洪水、100 年一遇洪水和2000 年一遇洪水，對應水庫上游水位和河道下游水位分別為156.17 m/134.05 m、157.50 m/134.653 m 和 160.34 m/135.148 m。利用 DJ800 數據采集儀對溢洪道水力模型進行全階段底部壓力監測，并在尾水渠處安裝旋漿流速儀，全過程進行數據監測。水力模型試驗圖見圖2。

圖2 新建溢洪道水力模型

3 試驗結果分析

3.1 溢洪道底部壓強特征

依據壓力傳感器監測不同工況下溢洪道水力模型沿程壓強分布，不同工況下溢洪道水利模型底部壓強分布規律相似，選定工況為2000 年一遇洪水時溢洪道底部沿程壓強分布，見圖3。

圖3 2000 年一遇洪水溢洪道底部沿程壓強分布圖

由圖3 可以得出，新建溢洪道底部壓強在溢洪道不同部位差異較大，壓強大小基本與溢洪道水深保持一致。其中，溢洪道底部壓強最大部位主要出現在一級消力池和二級消力池，主要原因為消力池在溢洪道中起著消能降速的作用，所以消力池一般需要向下開挖，導致消力池處水深較大，因此消力池處底部壓強較其他部位較大。對比一級消力池和二級消力池之間的差異可以看出，一級消力池底部壓強波動明顯大于二級消力池底部壓強波動，這是因為水流通過一級消力池時具備的能量較大，水流流態較為復雜，到達二級消力池時水流流態相對穩定，因此二級消力池底部壓強相對穩定。觀測溢洪道水力模型在泄水過程中壓強變化圖發現，溢洪道泄流過程中底部均未出現負壓狀態，由此說明溢洪道設計科學，消能設置安排合理，有利于增加溢洪道使用年限。

3.2 尾水渠流速特征

依據尾水渠出口處旋漿流速儀進行水流流速監測分析時，發現不同工況下尾水渠出口處水流特征相似，選定水力模型運行工況為2000 年一遇洪水進行尾水渠出口河道流速分析，得到工況為2000 年一遇洪水時尾水渠出口處水流流速特征，見圖4。

圖4 2000 年一遇洪水下游河道流速分布圖

由圖4 可以看出，溢洪道尾水渠水流流速呈現大體對稱，總體主流向右岸偏移的現象，這主要是受到溢洪道尾水渠形狀和下游河道地形所影響。觀測流速特征可以得到，從樁號0+600～0+625 主流流速逐漸增大，隨后開始降低，其中最大流速為0+625 處的11.05 m/s。利用該水力模型進行對比試驗發現，未安裝二級消力池時，水流流速達到20.8 m/s，相比較未安裝溢洪道二級消力池時，該溢洪道水流流速顯著降低，說明溢洪道消力池有較好的消能效果，該溢洪道能顯著降低水庫過壩水流沖刷作用。

3.3 泄流能力

分別對3 種工況下新建溢洪道泄流能力進行試驗，得到的不同工況下溢洪道敞泄時流量結果見表3。

表3 各工況下溢洪道敞泄流量試驗結果

由表3 可以發現，水力模型試驗流量均略大于設計流量。其中，3 種工況下設計值流量分比為 1959 m3/s、2203 m3/s、3184 m3/s，試驗值敞泄流量分別為 2071 m3/s、2394 m3/s、3479 m3/s，同比分別增大5.7%、8.7%、9.3%。水力模型試驗值大于設計值的原因為制作過程中材料差異和精度差異而造成的誤差，且該誤差隨著流量的增大而逐漸被放大。對比設計值和試驗值之間的差異，試驗值相比設計值在工況為2000 年一遇洪水時差異為9.3%，差異較小，由此說明水力模型試驗結果可靠。由此，依據水水力模型試驗結果，可以得出該新建溢洪道泄流能力滿足要求，能夠降低水庫在應對不同等級洪水時的泄流要求，增強水庫防洪調度能力。

4 結論

為增加水庫防洪調度能力，提高水庫抗洪能力，對“帶病”水庫進行除險加固處理，其中除險加固水庫新建溢洪道可以避免水庫由于漫頂而出現的潰壩現象。針對西部某除險加固水庫新建溢洪道進行水力模型試驗研究，得到如下結論：

（1）不同工況下，除險加固水庫新建溢洪道敞泄過程中，溢洪道底部沿程壓強分布規律相似，溢洪道底部沿程壓強值與溢洪道水深基本一致；溢洪道底部壓強最大值出現在一級消力池和二級消力池內部；溢洪道敞泄過程中底部未出現負壓。

（2）不同工況下，除險加固水庫溢洪道敞泄過程中，水流通過尾水渠進入河道流速規律相似；在2000 年一遇洪水工況下，尾水渠水流進入河道最大流速為11.05 m/s，遠小于未設計二級消力池的溢洪道；該除險加固溢洪道設計合理，具備較好的效能效果。

（3）3 種工況下除險加固水庫溢洪道設計值流量分比為 1959 m3/s、2203 m3/s、3184 m3/s，試驗值敞泄流量分別為2071 m3/s、2203 m3/s、3479 m3/s，同比分別增大 5.7%、8.7%、9.3%；該新建溢洪道泄流能力滿足要求，能夠降低水庫在應對不同等級洪水時的泄流要求，增強水庫防洪調度能力。