结合模型实验对溢洪道泄流的验证分析.pdf

第11期2023年11月文章编号：16 7 3-9 0 0 0(2 0 2 3)11-0 0 18-0 2陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.11November,2023结合模型实验对溢洪道泄流的验证分析顾富星（广东中灏勘察设计咨询有限公司，广东广州510 7 0 0）【摘要溢洪道（洞）过流能力关系到水库调洪及大坝安全，分析溢洪道的下泄流量及影响因素有重要意义。通过理论计算和模型试验对比研究水库溢洪道（洞）的水力特性，模拟不同工况下的下泄流量及流态分析，针对原方案中存在的不足提出改进措施，并对改进方案进行模拟实验，确定合理的下泄流量。通过不同工况试验来验证理论计算结果的合理性，并针对计算结果提出改进措施，从而达到最佳效果。结论可为类似工程提供参考和借鉴意义。【关键词溢洪道（洞）；模型试验；过流能力【中图分类号TV651.1【文献标识码B溢洪道是水库等水利建筑物的防洪设备，当水库水位超过安全限度时，洪水就从溢洪道向下游流出，防止水坝被毁坏。溢洪道是洪水期间保证水库安全的重要设施，因此，对于溢洪道过流能力进行准确的分析和评估具有重要意义。本文旨在通过开展水工模型试验，通过试验验证理论计算结果的合理性，并针对计算结果提出改进措施，从而达到最佳效果。1工程概况某水库工程是一座以农村人畜供水、城镇供水和农田灌溉为主的综合利用水利工程。工程首部枢纽布置由拦河混凝土面板堆石坝、溢洪隧洞、导流泄洪输水隧洞组成。水库总库容为1142.0 万m，工程等别及规模为等、中型工程。水库大坝级别为2 级建筑物，溢洪隧洞、导流泄洪输水隧洞为3级建筑物（永久部分），次要建筑物为4级，临时建筑物为4级。溢洪道进口段采用开式正槽溢洪道，洞身采用隧洞型式。布置在右岸，溢洪隧洞水平投影全长449.2 7 m，分为进口段、控制段、收缩段、陡坡段（无压洞）及出口消能段。进口段长2 7 m,底板高程7 7 9.2 3m；进口左侧无导墙，右侧导墙为扭曲面型式，墙顶高程7 6 7.33m，顶宽0.6 m。控制段长10 m，堰型为实用堰，堰顶高程为7 8 1.7 3m，堰宽为12.0 m，上游堰头曲线为三圆弧曲线，堰面曲线为WES0.5元1.8 5曲线，曲线方程为y=H.明渠型式收缩段长2 6 m，宽度从12 m收缩为4.5m，收缩角Q=5，底坡坡降=0.136 2。收缩段后接38 1m长的无压洞身段，断面为城门洞型式，底宽4.5m，底坡=0.18，高度为6.09 m5.56 mo挑流鼻坎长12 m，挑流鼻坎为差动式。上差动挑流鼻坎高程7 0 3.2 9 m，挑射角342 1 54。下差动为梯形侧壁形式，挑流鼻坎高程7 0 1.7 5m，挑射角140 0 57 。2溢洪道过流计算溢流堰采用WES标准型实用堰，堰顶不设闸门，水库正常蓄水位与溢流堰顶高程齐平，溢洪洞堰顶宽度12 m。H Q曲线采用实用堰公式：Q=0,0/mnb/2gh3/2式中 n 为流量系数、m-（(），查水力计算手册曲线确定；Hd8,为侧收缩系数,8;=1-2 K,+(n-1)K,-因仅有边墩无闸墩存在，故n=1,b暂采用12 m;Q为流量，m/s。初步设计阶段复核后采用的水位流量关系见表1、表2和图1。表1复核后溢洪洞水位 下泄流量（堰宽12 m）水库侧收缩流量泄流量水位系数系数H/m8781.7310.35782.230.9950.39782.730.9910.425783.230.9860.451783.730.9820.482Honb；6 为溢洪道净宽，水库侧收缩流量泄流量水位系数系数mQm/s)H/m0784.230.9770.488100.187.30784.730.9730.498133.7622.38785.230.9680.505170.1243.43785.730.9630.506207.2871.14786.230.9590.506246.158mQ/(m/s)收稿日期 2 0 2 3-0 7-0 4【作者简介顾富星（19 8 3-），男，湖北孝感人，高级工程师，主要从事水工建筑设计工作。:18.第11期2023年11月表2 水库特征水位下溢洪隧洞下泄流量频率库水位/m溢洪隧洞下泄流量/（m/s）P=0.1%785.50P=0.2%784.12P=3.33%783.85786.5786785.5785E784.5784.*783.5783782.5782781.50图1溢洪道水位 下泄流量关系对比图3建立水工模型试验3.1模型设计及比尺溢洪隧洞试验模型采用整体正态模型，按重力相似准则设计，并满足阻力相似要求。模型几何比尺为1：40,糙率比尺入,=入1%=1.8 49,地质勘察报告提供的溢洪隧洞混凝土衬砌表面的糙率为0.0 15,则要求模型溢洪道的糙率为0.0 0 8 1，而有机玻璃的糙率n=0.0080.010,故采用有机玻璃材料制作模型，满足要求。模型上游设置1座量水堰以控制流量。各相关物理量的比尺：长度比尺，入t=40；流速比尺，入、=入10 -6.32 5；流量比尺，入0=入2 =10 119.2 9；糙率比尺，入，=入1/6=1.849。3.2模型制作及试验量测试验模型由上游水库、溢洪隧洞、消能工及下游河道组成。上游水库地形用混凝土砂浆抹面制作，溢洪隧洞控制段前用水泥砂浆抹面，控制段及以后整条溢洪隧洞，包括差动式消能工均用有机玻璃加工制作，尺寸严格控制在允许的误差范围之内。差动式消能工后接出口尾水渠段采用有机玻璃制作，下游河道按河道原断面要求敷设动床。试验的量测：库水位、下游水位、堰上水头用精度为0.1mm的水位测针测量。流道上的时均动水压力用橡胶管、玻璃管制作的测压管测量。流速用长江科学院研制的LS-401D型直读式流速仪测量。水面线用钢板尺量测。试验过程拍摄照片及录像。溢洪隧洞沿右孔轴线布置6 个测压孔，沿洞身轴线布置14个测压孔。模型流量由上游无侧收缩矩形薄壁量水堰控制，小流量时采用三角形薄壁堰。模型量水堰流量计算公式均按水工（常规）模型试验规程（SL155-2012）中的公式计算。3.3原方案溢洪道（洞）过流能力试验测定了表孔泄洪隧洞泄流能力，得到实测库水位Z与溢洪隧洞下泄流量Q的关系曲线。据此可知典型频率洪水实测流量特征值见表3。陕西水利Shaanxi WaterResources表3原原方案溢洪隧洞实测特征流量值及综合流量系数备注洪水库水位设计值Q设实测值Q测（Q测-Q设）综合流量频率/%Z/m191.8m/s校核洪水设计洪水89.9m/s74.0m/s+可研成果100200流量/（m/s）No.11November,2023/(m/s)/(m/s)3.33783.852784.120.1785.5消能工况试验结果表明，水库在校核水位时，溢洪隧洞实测下泄流量为16 6 m/s，少于设计值19 1.8 m/s约13.45%,在设计水位时，实测下泄流量为8 3.11m%/s，低于设计值8 9.9 m/s约7.56%,30年一遇实测下泄流量为6 8.7 5m/s，也小于设计值7 4ms约7.1%。由此可知，在此情况下，模型试验所得的下泄流量均与设计值相差较大，过流能力严重不足。通过试验测试和分析，原方案存在的主要问题为：3001）溢洪隧洞过流能力严重不足。主要是因为堰前水流受控制段左边墙的侧收缩影响，左侧水流呈绕流流态进人控制段，左孔水流流态差。受溢洪隧洞控制段左边墙的侧收缩作用，堰前形成绕流流态，在堰顶断面处，左孔左侧水深较低，减小了过流能力。2）在桩号Y0+025.39Y0+044.00段内，水流受堰后收缩段的作用和堰前绕流的影响形成了“驼峰”流态，在校核库水位时下泄水流出现触顶现象。3）两道无挑坎掺气槽槽内积水严重，均没有形成掺气空腔，掺气槽失效。4试验优化及推荐方案针对原方案的主要问题，经多方协商后，基于如下思路对原方案进行试验优化：（1）为消除控制段左边墙侧收缩的影响，提高溢洪隧洞的过流能力，同时为改善在桩号Y0+025.39Y0+044.00段内出现的“驼峰”流态，在进水渠段增设左导墙。（2）对两道无挑坎掺气槽增设掺气挑坎，以解决掺气槽失效的问题。经试验优化，增设进水渠左导墙，左导墙为半径40 m的平面圆弧的垂直墙，前端为0.5m的半圆，其体形、尺寸具体见图2、图3。图2 溢洪隧洞进口水流流态模型优化方案典型频率洪水实测流量特征值见表4。表4推荐方案溢洪隧洞实测特征流量值及综合流量系数洪水库水位设计值Q设实测值Q满（Q测-Q设）综合流量频率/%Z/m3.33%783.852%784.120.1%785.5/-Q设/%74.068.7589.983.11191.8166图3溢洪隧洞堰后流态/(m/s)/(m/s)74.07189.986.5191.8180.5系数m-7.10.419-7.560.423-13.450.427/-Q设/%系数/m-4.050.433-3.780.440-5.890.464（下转第2 2 页）.19.第11期2023 年11 月软件计算工况水位/m安全系数数计算值全系数工况一163.30北京理正工况二164.78工况三165.23工况一163.30MidasGTS工况二164.78工况三165.234结论1)Midas GTS软件在渗流计算中，模拟的浸润线绘制上更优于北京理正软件，下游逸出点也与实际情况更为相符，其渗流量、水力坡降与理正软件相比，渗流量、水力坡降更大，渗流量误差约15%，水力坡降误差约12%。2）在稳定计算最危险的工况三中，北京理正软件为上游坝坡整体的滑动,MidasGTS软件的滑动区域主要为上游坝坡陕西水利Shaanxi WaterResources表4土石坝稳定计算成果水库下游坝坡系最小安上游坝坡2.262.292.232.072.112.05No.11November,2023的中下部及上游坝脚，与实际水库运行中易出现的病险位置相似，更符合实际情况。3）计算出来的稳定系数两者都满足规范最小安全系数要1.681.251.581.251.151.541.251.451.251.15求，但MidasGTS软件计算出来的结果比理正软件小，误差约8%,整体安全系数偏安全。综上所述，MidasGTS软件计算出来的结果与实际情况更相符，可作为评价大坝渗流安全及结构安全等级的依据。1孙钧，江宇，汪波，等.高地应力软岩隧洞挤压型大变形的非线性流变属性及采用让压支护的工程整治研究J.隧道建设（中英文),2 0 2 1,41(10):16 2 7-16 33.2上官宗光，金凯，许闯.AutoBank软件在中小型水库大坝安全评价中的应用J.中国资源综合利用，2 0 2 3,41（0 5）：35-37.3关立军.基于强度折减的土坡稳定分析方法研究D.大连：大连理工大学,2 0 0 3.参考文献（上接第17 页）分析统计模型，并结合工程实例中对监测数据进行拟合及预测分析。通过对传统模型和改进模型的对比分析可知：改进模型相比推荐模型的拟合及预测复相关系数更大，说明拟合及预测趋势更符合实际、最大误差率也小，预测情况更好；同时物理意义更加明确，更加符合土石体材料的变形特征；同时对实际土石坝工程施工期数据进行建模分析对比得到改进模型更加具有工程应用价值，能对心墙沉降变形进行更高精度的预测分析，可为高土石坝心墙沉降监测数据分析提供新的模型工具。1吴高见.高土石坝施工关键技术研究.水利水电施工.2 0 13（0 4）：2刘健，王继敏，张晨.30 0 m级特高土石坝施工期心墙沉降监控模型研究J.水力发电，2 0 2 1,47（0 1）：8 2-8 9.3吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用M.高等教育出版社.2 0 0 3.4赵志仁.大坝安全监测的原理与应用M.天津：天津科学技术出版社.19 9 2:1-2 2,47-8 1.5郦能惠，蔡飞，沈珠江.土石坝原型观测资料分析方法的研究J.水电能源科学.2 0 0 0（0 2。6王亚坤，傅志敏，苏正洋.基于长短期记忆网络的黄河小浪底水库高斜心墙堆石坝沉降预测模型及其预测精度分析J.水电能源科学,2 0 2 2,40(0 2):110-113.参考文献7DL/T5259-2010.土石坝安全监测技术规范S.2011.8SL551-2012.土石坝安全监测技术规范S.2012.（上接第19 页）增设左导墙后，各工况下，进水渠段内水流平顺，流态平稳，控制段内水流平顺。增设左导墙后基本消除了侧收缩的影响。区间的“驼峰”流态得到一定的改善。试验结果表明：校核水位时，实测下泄流量18 0.5m/s小于设计值19 1.8 m/s约5.8 9%，设计水位时，实测下泄流量8 6.5m/s小于设计值89.9m/s约3.7 8%,30 年一遇实测下泄流量7 1.0 m/s小于设计值7 4m/s约4.0 5%，溢洪隧洞过流能力与原设计值接近，相差在3%6%范围。增设1#、2#掺气坎后，各工况下坎后均能形成稳定的掺气空腔，掺气空腔内空气吸人充分，坎后水流平顺。5结论通过对溢洪道（洞)采用理论计算公式、进口段不设导墙、.22.进口段增设导墙模型试验所得到的下泄流量进行对比分析研究，得出结论如下：（1)丫河水库溢洪道（洞）总体布置及设计体型基本合理，采用理论公式计算时由于流量系数影响，结果偏大，偏差在10%以内。（2）溢洪道进口布置在坝肩时，靠坝一侧设置顺应水流的曲面导水墙是有效的。设置导墙后，可有效避免产生绕流和横向流，过流能力得到明显提升。（3）经模型试验验证，下泄流量实测值与理论计算值偏差在3%6%之间。理论计算值偏大，在设计过程中，为偏安全考虑，建议在理论计算的基础上考虑10%左右的安全裕度，确保工程安全。