水利工程論文-環(huán)型溢洪道的設計與試驗研究摘要：利用旋流場理論分析，大膽、巧妙地將環(huán)型堰與消力井相結合，采用簡便可行設置防渦墩和外防渦墻的環(huán)型溢洪道泄流消能方式。成功地解決了進口流速較大且流速分布極不均勻，水力條件較為復雜的泄流和消能問題。再經兩個水文年的溢洪實踐，表明該設計與研究在滿足泄洪和消能方面均達到設計預期效果。并比常規(guī)的設計可節(jié)約工程投資的1/41/3；而且更為安全可靠。對在城市防洪排澇；中小型水利水電工程的泄流及一洞多用中；山區(qū)狹長水庫行近流速比較大或切向流速比較大的水庫中，均具有良好的推廣價值。關鍵詞：環(huán)型溢洪道旋流消能防渦設施設計與試驗研究一、工程概況貴陽市貫城河是一條由北向南縱貫貴陽市城區(qū)的河流，流域面積為21Km2，為山區(qū)雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，漲峰歷時短的特點。城市的發(fā)展導致地面硬化，水流下滲量減少，加大短時地表徑流。由于歷史的原因，貫城河河道過水斷面減小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地勢低洼，致使上游地區(qū)及市區(qū)暴雨強度較大時，極易形成內澇，尤以噴水池附近地區(qū)最為嚴重，給人民生命財產帶來巨大的損失。為解決貫城河的水環(huán)境問題，擬在化龍橋附近修建一條排污分洪隧洞。工程的主要任務是分泄化龍橋以上河道汛期大部分洪水，提高噴水池附近繁華商業(yè)區(qū)的防洪能力。樞紐工程由環(huán)型溢洪道、隧洞等兩大部分組成，其最大排洪量為100m3/s。二、進口方案比較由于貫城河貫穿貴陽市，為減少洪水對市中心的影響，該工程進口位置只能選擇在人口較密、商業(yè)較繁華的化龍橋至沙河橋一帶。這一帶受地形及規(guī)劃用地的限制；并結合隧洞的選線，進口只能選擇化龍橋上游距聯(lián)云橋約60m的上游河段上。分洪隧洞的進口引渠與貫城河河道呈83的交角；該河道河槽底部高程1062m，設計水位時的流速為V0=4.97m/s，這有別于水庫近似V0=0m/s行進流速。加之出口處南明河河道河床高程1041m左右，進出口高差近21m。泄洪流量較大，這給進口的設計帶來了一定的難度。在布置設計時研究過三種可能的布置形式：1、豎井式溢洪道傳統(tǒng)的豎井式溢洪道由環(huán)型堰、漸變段、豎井、彎管及泄水隧洞進口四部分組成。其消能機理是，當環(huán)型堰進口曲線下端的高速水流脫離井壁時，挾帶空氣射入消力井中，與井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根據(jù)其消能機理在布置設計其需要一段較長的漸變段、豎井、彎管來控制水流，使水流在其中充分消能。2、環(huán)型溢洪道環(huán)型溢洪道由環(huán)型堰、消力井和消力井三部分組成。與豎井式溢洪道相比其少了漸變段、豎井、彎管，增加了消力井。其消能機理是，經過引渠引入的水流，進入環(huán)型堰進口時，在環(huán)型堰曲線下端形成高速射流，脫離環(huán)型堰壁后，挾帶空氣射入消力井中，與消力井的水墊相互碰撞消能。3、龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能采用龍?zhí)ь^式實用堰引流，使水流進入消力池消能。豎井式溢洪道與環(huán)型溢洪道相比雖然工程投資相當，但其水墊較淺，消能效果沒有環(huán)型溢洪道的好；再加上受漸變段、豎井，尤其彎管的曲率半徑R不能滿足2-5倍控制段直徑要求，使得輸水隧洞內會出現(xiàn)不穩(wěn)定的流態(tài)，甚至在彎管部位會出現(xiàn)很大的負壓。而環(huán)型溢洪道正好克服了這些缺點被確定為實施方案。環(huán)型溢洪道與龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能相比減少占地約40%。綜上所述，從經濟和社會效益上分析，采用較安全可靠的環(huán)型溢洪道比采用豎井式溢洪道、龍?zhí)ь^式溢洪道+消力池消能均節(jié)約投資1/41/3，并減少占地約40%。而且更為安全可靠，大大降低泄洪的聲響及水霧，尤其處于城市的繁華中心區(qū)，其本工程的建成不僅大大提高貫城河一帶的防洪能力，工程的建成并不對周邊的環(huán)境帶來不利的影響。三、環(huán)型溢洪道的設計該工程按200年一遇洪水標準設計，按防洪標準（GB50201-94）的規(guī)定，本工程等別為II等，環(huán)型溢洪道等永久建筑的級別為2級。環(huán)型溢洪道由引渠、環(huán)型堰、消力井三部分組成。見附圖。1、環(huán)型溢洪道的理論分析由于本工程地處市區(qū)內，受其用地的限制，進口引渠位于距河道轉彎上游凸岸一側的約25m的河道上，該處河道水流流速約4m/s，使得進口引渠的水流有偏流現(xiàn)象，水面高差0.50.8m。由于偏流的存在，環(huán)型溢洪道水力學參數(shù)的求解必須借助于旋流理論根據(jù)質量守恒及動量守恒導出的連續(xù)性方程與動量方程（又稱N-S方程）：(1)在水力旋流場中，流體運動通?？梢哉J為是穩(wěn)定的軸流對稱流動，其質量力可以忽略不計。一般采用柱坐標系統(tǒng)或球坐標系統(tǒng)，但為了方便計，均采用渦-流函數(shù)的形式。在柱坐標下，渦-流函數(shù)為：(2)式中渦函數(shù)為渦矢量水流旋流場的邊界相當復雜，完全準確地給出這些條件至少目前是不可能的，它的求解問題相當復雜。因此，在實際求解時可以作出假設，對方程用中心差分法，將流函數(shù)的各階導數(shù)離散為：（3）（4）（5）這樣可求出溢流進出口端的渦-流函數(shù)。但求解渦-流函數(shù)時需要事先給定的型式，鑒于邊界條件的復雜性難以等到完全滿意的結果。因此需進行水力學試驗來研究確定。2、環(huán)型堰設計（1）定型水頭的確定現(xiàn)行溢洪道設計規(guī)范SL253-2000明確規(guī)定：當采用低堰時其定型水頭取Hd=0.650.85Hmax，結合本工程大多數(shù)情況是在低水頭運行和洪水有陡漲陡落的特點；同時考慮到引渠內有4m/s左右的的初始流速，為增加泄流量，確定采用定型水頭Hd=0.808Hmax的定型水頭。（2）圓形控制段半徑的計算已知該工程的該工程的分洪流量為100m3/s，根據(jù)堰流流量公式：（6）式中：Q為設計流量，本工程Q=100m3/s；為側收縮系數(shù)，本工程取=0.9；m為流量系數(shù)，本工程取m=0.36；R為堰頂半徑；n為防渦墩數(shù)；d為堰頂高程處的防渦墩厚度，本工程d=0.472m；g為重力加速度Ho為堰上水頭，本工程為Ho=2.5m；通過試算可確定控制段的直徑為3.5m。（3）堰面曲線的設計根據(jù)進口處的實際地形條件環(huán)型溢流堰布設為低堰，堰高Hp=0.5m。堰面曲線的設計象一般實用堰和豎井式溢洪道一樣，環(huán)型堰的形狀（漏斗段）是根據(jù)銳緣薄壁環(huán)堰的水舌下緣剖面繪制。R堰頂半徑為3.3m及Hp=0.5m，根據(jù)Hp/R及定型水頭Hd查文獻1上的相應表可得的堰面曲線坐標。3、消力井的初步設計現(xiàn)行水工隧洞設計規(guī)范SD134-84規(guī)定，混凝土襯砌隧洞要防止高速水流的沖刷，噴錨襯砌的允許流速，一般不宜大于8m/s。根據(jù)動勢能轉換原理可求得本工程跌落進消力井水舌的入水流速V=16m/s。大于噴錨襯砌的允許流速，接近高速水流的范疇。為減少對隧洞的沖刷降低流速，必須采取消能措施進行消能。本工程擬采用的消能措施是消力井。其幾何尺寸主要是先根據(jù)跌落進池中水流共軛水深和水躍長度初步確定，經計算本工程的共軛水深為4.6m；水躍長度6.4m。考率到本工程的進口流態(tài)較復雜，為工程的安全，在布置設計時考慮充分的消能率池深取為5.21m，直徑為8.6m。因此，還需用水力試驗來加以研究確定，并為類似的工程提供一個比較簡單易懂的數(shù)據(jù)。4、理論消能率的計算消能率是評價消能工消能效果的一個指標，其等于經過消能的能量損失與泄洪隧洞進口段總能量之比；而經過消能的能量損失等于該泄洪隧洞進口段總能量減去隧洞進口段總的能量之和。其理論公式可由能量方程：（7）經計算隧洞洞內在設計水位時的流速為4.1m/s，則消力井的理論消能率為73%。以就是說跌落進消力井水舌的入水流速V=16m/s的水流，在進洞時其流速接近洞內在設計水位時的流速為4.1m/s，則表明消能較好。在工程布置時還需研究合理可行的消能放渦設施。以用于提高其消能率。四、試驗研究環(huán)型溢洪道是一種新泄洪方式，工程實例較為少見。對于偏流現(xiàn)象目前還不能對之進行較為精確的水力學計算。亦不能計算進口河道偏流對環(huán)型堰泄流能力的影響；以及為對防渦設施的進一步研究，為樞紐建筑物的結構布置提供試驗依據(jù)。這也是進行水工模型試驗的目的。試驗主要研究泄洪隧洞單獨泄洪和泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪兩種方式。上游河道控制最高水位1067.00m時，泄洪隧洞單獨泄洪最大泄流量100.00m3/s，泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪時，最大泄流量140.00m3/s，下游河道控制流量40.00m3/s，泄洪隧洞泄洪流量100.00m3/s。水工模型按重力相似準則設計為正態(tài)模型，幾何比尺采用1:20，滿足糙率相似。經過對五種方案的試驗研究，實測了模型中的各種水力參數(shù)、流態(tài)和消能特性，并為工程設計推薦了一個比較合理的方案。1、進流水力特性本工程引渠方向與河道呈83的交角，使得行近水流具有較大的初始環(huán)量，造成進流流速分布極不均勻，引渠左右流速差達4.00m/s。且存在較大橫向水面差，橫向水面差值為0.50.8m。并且在進口上游無任何調節(jié)及穩(wěn)流設施，水流從河道經寬頂堰直接進入環(huán)型溢洪道，致使水流流速較大，高達8m/s，極大影響了進流流態(tài)。若不采用防渦設施或采用不當，將會使環(huán)型溢洪道的下泄水流產生較強的豎軸吸氣旋渦，產生巨大的聲響。同樣由于環(huán)型溢洪道周邊進流分布極不均勻，在環(huán)型溢洪道面上產生局部負壓，對建筑結構極為不利，嚴重降低了環(huán)型溢洪道的泄流量，使上游河道水位大幅度升高。在泄洪隧洞與下游河道聯(lián)合泄洪方式時，由于下游河道泄流，環(huán)型溢洪道引渠進口水流的主流下移，致使進口的進水角增大，增大了行近水流的初始環(huán)量，加劇了環(huán)型溢洪道的橫向繞流，最大橫向繞流流速達10.89m/s，水流流態(tài)更加紊亂，同樣若不采取工程措施，將會使得豎向環(huán)型溢洪道在聯(lián)合泄流時較單獨泄流時的泄流量要低。2、防渦設施的確定該工程環(huán)型溢洪道來流流速較大，偏流現(xiàn)象嚴重，流速分布極不均勻，在環(huán)型溢洪堰前產生較大的橫向繞流，水流流態(tài)更加紊亂，影響泄流。設計時擬在堰頂上布置了四個防渦墩的工程措施，但對于其防渦效果如何，還需進行試驗進行研究。（1）不設防渦設施不設防渦設施時，由于受到上游來水極不均勻的影響，在環(huán)型溢洪道前產生較大的橫向流速，導致水流的旋轉，隨著流量的增加進口漩渦直徑及強度亦逐漸加大，溢流能力較低。在流量Q61.00m3/s環(huán)型溢洪道單獨泄流時，進口旋渦直徑5.60m，并伴隨著巨大的聲響，上游河道水位1067.14m，已超過最高防洪水位。（2）環(huán)型溢洪道周邊設3個防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設3個防渦墩，墩與墩之間夾角120，墩的位置經試驗調整確定，1墩軸線與引渠對稱中線的夾角25。受水力條件的影響，環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進水不均勻。在環(huán)型溢洪道單獨泄流流量Q100.00m3/s時，上游河道水位1066.24m。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q140.00m3/s時，環(huán)型溢洪道后側的橫向流速為10.89m/s，上游河道水位1067.42m，超過校核水位0.42m。（3）環(huán)型溢洪道周邊設4個防渦墩在環(huán)型溢洪道周邊設4個防渦墩，墩與墩之間夾角90，1墩軸線與引渠對稱中線的夾角45（該方案為原設計方案）。在環(huán)型溢洪道周邊存在旋轉水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進水不均勻,在環(huán)型溢洪道上游的右側1#防渦墩下游溢流面上產生負壓，最大負壓值為1.25mH2O。在環(huán)型溢洪道單獨泄流流量Q100.00m3/s時，上游河道水位1066.30m。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q140.00m3/s時，上游河道水位1067.50m，超過校核水位0.50m。（4）設3個防渦墩和1個外防渦墻根據(jù)在環(huán)型溢洪道周邊設3個防渦墩方案與設4個防渦墩的方案試驗成果比較，選定在設3個周邊防渦墩方案的基礎上，經不同位置和尺寸的比較試驗,在環(huán)型溢洪道的橫向對稱線上的右側邊墻布置一寬為1.90m的外防渦墻。外防渦墻截擋了右側的較大偏向水流流速，減小了環(huán)型溢洪道周邊的橫向繞流流速，但環(huán)型溢洪道周邊還存在旋轉水流，流態(tài)紊亂，環(huán)型溢洪道周邊進水不均勻，該方案水流條件較其它方案均有較大的改善。在環(huán)型溢洪道單獨泄流流量Q100.00m3/s時，上游河道水位1066.18m。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q140.00m3/s時，環(huán)型溢洪道后側的橫向流速為5.34m/s，上游河道水位1066.88m，低于校核水位0.12m。（5）設3個防渦墩和2個外防渦墻在環(huán)型溢洪道周邊設3個防渦墩、1個外防渦墻方案的基礎上，在環(huán)型溢洪道1防渦墩的對稱沿長線的邊墻上布置一寬為1.90m的外防渦墻，成為3個周邊防渦墩和2個外防渦墻方案（該方案為終結方案）。由于2個外防渦墻截擋了右側的較大偏向水流流速和環(huán)型溢洪道周邊的橫向繞流，調整了整個水流分布，環(huán)型溢洪道周邊進水均勻，整個環(huán)型溢洪道面未出現(xiàn)負壓，增大了環(huán)型溢洪道的泄流能力，在環(huán)型溢洪道單獨泄流流量Q100.00m3/s時，由于外防渦墻的設置調整了水流分布趨于均勻，寬頂堰出口左右流速差為0.11m/s，上游河道水位1066.18m。在環(huán)型溢洪道與下游河道聯(lián)合泄流流量Q140.00m3/s時，上游河道水位1066.38m，低于校核水位0.62m，滿足了工程要求。其試驗成果見表1。表1環(huán)型溢洪道水力特性表試驗方案流量(m3/s)溢流形式上