环型溢洪道的设计与试验研究
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摘要：利用旋流场理论分析，大胆、巧妙地将环型堰与消力井相结合，采用简便可行设置防涡墩和外防涡墙的环型溢洪道泄流消能方式。成功地解决了进口流速较大且流速分布极不均匀，水力条件较为复杂的泄流和消能问题。再经两个水文年的溢洪实践，表明该设计与研究在满足泄洪和消能方面均达到设计预期效果。并比常规的设计可节约工程投资的1/4∽1/3；而且更为安全可靠。对在城市防洪排涝；中小型水利水电工程的泄流及一洞多用中；山区狭长水库行近流速比较大或切向流速比较大的水库中，均具有良好的推广价值。
一、工程概况
贵阳市贯城河是一条由北向南纵贯贵阳市城区的河流，流域面积为21Km2，为山区雨源型小河流，洪水由暴雨形成；洪水具有峰量集中，涨峰历时短的特点。城市的发展导致地面硬化，水流下渗量减少，加大短时地表径流。由于历史的原因，贯城河河道过水断面减小，阻水建筑物多，河道行洪能力差，加上局部河段地势低洼，致使上游地区及市区暴雨强度较大时，极易形成内涝，尤以喷水池附近地区最为严重，给人民生命财产带来巨大的损失。
为解决贯城河的水环境问题，拟在化龙桥附近修建一条排污分洪隧洞。工程的主要任务是分泄化龙桥以上河道汛期大部分洪水，提高喷水池附近繁华商业区的防洪能力。枢纽工程由环型溢洪道、隧洞等两大部分组成，其最大排洪量为100m3/s。
二、进口方案比较
由于贯城河贯穿贵阳市，为减少洪水对市中心的影响，该工程进口位置只能选择在人口较密、商业较繁华的化龙桥至沙河桥一带。这一带受地形及规划用地的限制；并结合隧洞的选线，进口只能选择化龙桥上游距联云桥约60m的上游河段上。分洪隧洞的进口引渠与贯城河河道呈83°的交角；该河道河槽底部高程1062m，设计水位时的流速为V0=4.97m/s，这有别于水库近似V0=0m/s行进流速。加之出口处南明河河道河床高程1041m左右，进出口高差近21m。泄洪流量较大，这给进口的设计带来了一定的难度。在布置设计时研究过三种可能的布置形式：
1、竖井式溢洪道
传统的竖井式溢洪道由环型堰、渐变段、竖井、弯管及泄水隧洞进口四部分组成。其消能机理是，当环型堰进口曲线下端的高速水流脱离井壁时，挟带空气射入消力井中，与井底的水相互碰撞和井壁摩擦消能。根据其消能机理在布置设计其需要一段较长的渐变段、竖井、弯管来控制水流，使水流在其中充分消能。
2、环型溢洪道
环型溢洪道由环型堰、消力井和消力井三部分组成。与竖井式溢洪道相比其少了渐变段、竖井、弯管，增加了消力井。其消能机理是，经过引渠引入的水流，进入环型堰进口时，在环型堰曲线下端形成高速射流，脱离环型堰壁后，挟带空气射入消力井中，与消力井的水垫相互碰撞消能。
3、龙抬头式溢洪道+消力池消能
采用龙抬头式实用堰引流，使水流进入消力池消能。
竖井式溢洪道与环型溢洪道相比虽然工程投资相当，但其水垫较浅，消能效果没有环型溢洪道的好；再加上受渐变段、竖井，尤其弯管的曲率半径R不能满足2-5倍控制段直径要求，使得输水隧洞内会出现不稳定的流态，甚至在弯管部位会出现很大的负压。而环型溢洪道正好克服了这些缺点被确定为实施方案。环型溢洪道与龙抬头式溢洪道+消力池消能相比减少占地约40%。
综上所述，从经济和社会效益上分析，采用较安全可靠的环型溢洪道比采用竖井式溢洪道、龙抬头式溢洪道+消力池消能均节约投资1/4∽1/3，并减少占地约40%。而且更为安全可靠，大大降低泄洪的声响及水雾，尤其处于城市的繁华中心区，其本工程的建成不仅大大提高贯城河一带的防洪能力，工程的建成并不对周边的环境带来不利的影响。
三、环型溢洪道的设计
该工程按200年一遇洪水标准设计，按《防洪标准》（GB50201-94）的规定，本工程等别为II等，环型溢洪道等永久建筑的级别为2级。环型溢洪道由引渠、环型堰、消力井三部分组成。见附图。
1、环型溢洪道的理论分析
由于本工程地处市区内，受其用地的限制，进口引渠位于距河道转弯上游凸岸一侧的约25m的河道上，该处河道水流流速约4m/s，使得进口引渠的水流有偏流现象，水面高差0.5∽0.8m。由于偏流的存在，环型溢洪道水力学参数的求解必须借助于旋流理论根据质量守恒及动量守恒导出的连续性方程与动量方程（又称N-S方程）：
(1)
在水力旋流场中，流体运动通常可以认为是稳定的轴流对称流动，其质量力可以忽略不计。一般采用柱坐标系统或球坐标系统，但为了方便计，均采用涡-流函数的形式。
在柱坐标下，涡-流函数为：
(2)
式中涡函数 为涡矢量
水流旋流场的边界相当复杂，完全准确地给出这些条件至少目前是不可能的，它的求解问题相当复杂。
因此，在实际求解时可以作出假设，对方程⑵用中心差分法，将流函数的各阶导数离散为：
（3）
（4）
（5）
这样可求出溢流进出口端的涡-流函数。但求解涡-流函数时需要事先给定的型式，鉴于边界条件的复杂性难以等到完全满意的结果。因此需进行水力学试验来研究确定。
2、环型堰设计
（1）定型水头的确定
现行《溢洪道设计规范》SL253-2000明确规定：当采用低堰时其定型水头取Hd=0.65∽0.85Hmax，结合本工程大多数情况是在低水头运行和洪水有陡涨陡落的特点；同时考虑到引渠内有4 m/s左右的的初始流速，为增加泄流量，确定采用定型水头Hd=0.808H max的定型水头。
（2）圆形控制段半径的计算
已知该工程的该工程的分洪流量为100m3/s，根据堰流流量公式：
（6）
式中：Q为设计流量，本工程 Q=100m3/s；
ε为侧收缩系数，本工程取 ε=0.9；
m为流量系数，本工程取m=0.36；
R为堰顶半径；
n为防涡墩数；
d为堰顶高程处的防涡墩厚度，本工程d=0.472m；
g为重力加速度
Ho为堰上水头，本工程为Ho=2.5m；
通过试算可确定控制段的直径为3.5m。
（3）堰面曲线的设计
根据进口处的实际地形条件环型溢流堰布设为低堰，堰高 Hp=0.5m。堰面曲线的设计象一般实用堰和竖井式溢洪道一样，环型堰的形状（漏斗段）是根据锐缘薄壁环堰的水舌下缘剖面绘制。R堰顶半径为3.3m及Hp=0.5m，根据Hp/R及定型水头Hd查文献1上的相应表可得的堰面曲线坐标。
3、消力井的初步设计
现行《水工隧洞设计规范》SD134-84规定，混凝土衬砌隧洞要防止高速水流的冲刷，喷锚衬砌的允许流速，一般不宜大于8m/s。根据动势能转换原理可求得本工程跌落进消力井水舌的入水流速V=16m/s。大于喷锚衬砌的允许流速，接近高速水流的范畴。为减少对隧洞的冲刷降低流速，必须采取消能措施进行消能。本工程拟采用的消能措施是消力井。其几何尺寸主要是先根据跌落进池中水流共轭水深和水跃长度初步确定，经计算本工程的共轭水深为4.6m；水跃长度6.4m。考率到本工程的进口流态较复杂，为工程的安全，在布置设计时考虑充分的消能率池深取为5.21m，直径为8.6m。因此，还需用水力试验来加以研究确定，并为类似的工程提供一个比较简单易懂的数据。
4、理论消能率的计算
消能率是评价消能工消能效果的一个指标，其等于经过消能的能量损失与泄洪隧洞进口段总能量之比；而经过消能的能量损失等于该泄洪隧洞进口段总能量减去隧洞进口段总的能量之和。其理论公式可由能量方程：
（7）
经计算隧洞洞内在设计水位时的流速为4.1m/s，则消力井的理论消能率为73%。以就是说跌落进消力井水舌的入水流速V=16m/s的水流，在进洞时其流速接近洞内在设计水位时的流速为4.1m/s，则表明消能较好。在工程布置时还需研究合理可行的消能放涡设施。以用于提高其消能率。
四、试验研究
环型溢洪道是一种新泄洪方式，工程实例较为少见。对于偏流现象目前还不能对之进行较为精确的水力学计算。亦不能计算进口河道偏流对环型堰泄流能力的影响；以及为对防涡设施的进一步研究，为枢纽建筑物的结构布置提供试验依据。这也是进行水工模型试验的目的。
试验主要研究泄洪隧洞单独泄洪和泄洪隧洞与下游河道联合泄洪两种方式。上游河道控制最高水位1067.00m时，泄洪隧洞单独泄洪最大泄流量100.00m3/s，泄洪隧洞与下游河道联合泄洪时，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准则设计为正态模型，几何比尺采用1:20，满足糙率相似。经过对五种方案的试验研究，实测了模型中的各种水力参数、流态和消能特性，并为工程设计推荐了一个比较合理的方案。
1、进流水力特性
本工程引渠方向与河道呈83о的交角，使得行近水流具有较大的初始环量，造成进流流速分布极不均匀，引渠左右流速差达4.00m/s。且存在较大横向水面差，横向水面差值为0.5~0.8m。并且在进口上游无任何调节及稳流设施，水流从河道经宽顶堰直接进入环型溢洪道，致使水流流速较大，高达8m/s，极大影响了进流流态。若不采用防涡设施或采用不当，将会使环型溢洪道的下泄水流产生较强的竖轴吸气旋涡，产生巨大的声响。同样由于环型溢洪道周边进流分布极不均匀，在环型溢洪道面上产生局部负压，对建筑结构极为不利，严重降低了环型溢洪道的泄流量，使上游河道水位大幅度升高。
在泄洪隧洞与下游河道联合泄洪方式时，由于下游河道泄流，环型溢洪道引渠进口水流的主流下移，致使进口的进水角增大，增大了行近水流的初始环量，加剧了环型溢洪道的横向绕流，最大横向绕流流速达10.89m/s，水流流态更加紊乱，同样若不采取工程措施，将会使得竖向环型溢洪道在联合泄流时较单独泄流时的泄流量要低。
2、防涡设施的确定
该工程环型溢洪道来流流速较大，偏流现象严重，流速分布极不均匀，在环型溢洪堰前产生较大的横向绕流，水流流态更加紊乱，影响泄流。设计时拟在堰顶上布置了四个防涡墩的工程措施，但对于其防涡效果如何，还需进行试验进行研究。
（1）不设防涡设施
不设防涡设施时，由于受到上游来水极不均匀的影响，在环型溢洪道前产生较大的横向流速，导致水流的旋转，随着流量的增加进口漩涡直径及强度亦逐渐加大，溢流能力较低。在流量Q＝61.00m3/s环型溢洪道单独泄流时，进口旋涡直径5.60m，并伴随着巨大的声响，上游河道水位1067.14m，已超过最高防洪水位。
（2）环型溢洪道周边设3个防涡墩
在环型溢洪道周边设3个防涡墩，墩与墩之间夹角120о，墩的位置经试验调整确定，1＃墩轴线与引渠对称中线的夹角25о。
受水力条件的影响，环型溢洪道周边存在旋转水流，流态紊乱，环型溢洪道周边进水不均匀。在环型溢洪道单独泄流流量Q＝100.00m3/s时，上游河道水位1066.24m。在环型溢洪道与下游河道联合泄流流量Q＝140.00m3/s时，环型溢洪道后侧的横向流速为10.89m/s，上游河道水位1067.42m，超过校核水位0.42m。
（3）环型溢洪道周边设4个防涡墩
在环型溢洪道周边设4个防涡墩，墩与墩之间夹角90о，1＃墩轴线与引渠对称中线的夹角45о（该方案为原设计方案）。
在环型溢洪道周边存在旋转水流，流态紊乱，环型溢洪道周边进水不均匀,在环型溢洪道上游的右侧1#防涡墩下游溢流面上产生负压，最大负压值为1.25mH2O。在环型溢洪道单独泄流流量Q＝100.00m3/s时，上游河道水位1066.30m。在环型溢洪道与下游河道联合泄流流量Q＝140.00m3/s时，上游河道水位1067.50m，超过校核水位0.50m。
（4）设3个防涡墩和1个外防涡墙
根据在环型溢洪道周边设3个防涡墩方案与设4个防涡墩的方案试验成果比较，选定在设3个周边防涡墩方案的基础上，经不同位置和尺寸的比较试验,在环型溢洪道的横向对称线上的右侧边墙布置一宽为1.90m的外防涡墙。
外防涡墙截挡了右侧的较大偏向水流流速，减小了环型溢洪道周边的横向绕流流速，但环型溢洪道周边还存在旋转水流，流态紊乱，环型溢洪道周边进水不均匀，该方案水流条件较其它方案均有较大的改善。在环型溢洪道单独泄流流量Q＝100.00m3/s时，上游河道水位1066.18m。在环型溢洪道与下游河道联合泄流流量Q＝140.00m3/s时，环型溢洪道后侧的横向流速为5.34 m/s，上游河道水位1066.88m，低于校核水位0.12m。
（5）设3个防涡墩和2个外防涡墙
在环型溢洪道周边设3个防涡墩、1个外防涡墙方案的基础上，在环型溢洪道1＃防涡墩的对称沿长线的边墙上布置一宽为1.90m的外防涡墙，成为3个周边防涡墩和2个外防涡墙方案（该方案为终结方案）。
由于2个外防涡墙截挡了右侧的较大偏向水流流速和环型溢洪道周边的横向绕流，调整了整个水流分布，环型溢洪道周边进水均匀，整个环型溢洪道面未出现负压，增大了环型溢洪道的泄流能力，在环型溢洪道单独泄流流量Q＝100.00m3/s时，由于外防涡墙的设置调整了水流分布趋于均匀，宽顶堰出口左右流速差为0.11 m/s，上游河道水位1066.18m。在环型溢洪道与下游河道联合泄流流量Q＝140.00m3/s时，上游河道水位1066.38m，低于校核水位0.62m，满足了工程要求。其试验成果见表1。
表1 环型溢洪道水力特性表
试验方案
流量
(m3/s)
溢流形式
上游河
道水位
(m)
引渠最
大流速
(m/s)
引 渠
流速差
(m/s)
引 渠
水面差
(m)
环堰周边最
大横向流速
(m/s)
方案一
不设防涡设施
45.00
单独泄流
1065.91
5.48
0.39
0.06
4.43
61.00
1067.14
3.73
1.24
0.51
7.00
方案二
设3个防涡墩
45.00
单独泄流
1064.92
5.77
0.27
0.05
4.89
61.00
1065.29
6.66
0.72
0.75
5.24
77.00
1065.70
7.11
1.13
0.84
5.96
100.00
1066.24
7.38
1.83
1.18
8.28
117.00
联合泄流
1066.42
7.59
4.04
1.21
9.56
140.00
1067.42
7.67
4.04
1.48
10.89
方案三
设4个防涡墩
45.00
单独泄流
1065.07
5.35
0.30
0.14
4.73
61.00
1065.35
6.23
0.91
0.22
5.94
77.00
1065.63
7.87
1.21
0.26
6.26
100.00
1066.30
8.08
1.58
0.32
8.26
140.00
联合泄流
1067.50
8.34
4.21
1.15
10.75
方案四
设3个防涡墩和
1个外防涡墙
45.00
单独泄流
1065.06
6.21
0.23
0.10
4.01
100.00
1066.18
7.14
1.31
0.30
4.85
140.00
联合泄流
1066.88
7.53
3.98
1.11
5.34
方案五
设3个防涡墩和
2个外防涡墙
45.00
单独泄流
1065.04
6.42
0.03
0.08
3.49
66.00
1065.32
6.71
0.14
0.12
3.86
77.00
1065.56
7.25
0.10
0.10
4.05
100.00
1066.18
7.05
0.11
0.16
4.32
117.00
联合泄流
1065.64
7.03
1.21
0.56
4.43
140.00
1066.38
7.41
1.57
0.94
4.60
环型溢洪道仅在周边设置防涡墩方案与环型溢洪道周边设置防涡墩和外防涡墙共同使用方案比较，在环型溢洪道单独泄流情况下，在Q＝100.00m3/s时，宽顶堰出口平均流速，左右侧流速差从1.83m/s减至0.11m/s，在环型溢洪道与下游河道联合泄流流量Q＝140.00m3/s时，宽顶堰出口平均流速，左右侧流速差从4.04 m/s减至1.57 m/s，在环型溢洪道单独泄流Q＝100.00m3/s时，上游河道水位从1066.24m降至1066.18m，在环型溢洪道与下游河道联合泄流流量Q＝140.00m3/s时，上游河道水位从1067.42m降至1066.38m，效果明显。
根据试验结果，将原设计环型堰上布置有4个防涡墩减少为3个，为更好的防止涡流的产生，在引渠边墙增加两道防涡墙。试验表明设计泄洪量Q=100m3/s时，最大动水压力为18.6mH20，最大冲击流速为8.7m/s；较入射水流流速V=16m/s减小了进一半，基本满足了喷锚衬砌的允许流速，一般不宜大于8m/s的要求。此时的消能率为58.2%，为理论消能率的80%，消能效果较为显著；而且这种消能形式结构简单新颖易于布置。
2、试验研究成果分析
鉴于水流边界的特殊性和环型溢洪道是一项较为新颖的结构，国内未见有类似的工程实例。对于防涡设施、消力井的布置没有成功的经验可以借鉴。其中仅环型堰的孔口尺寸可以由堰流公式进行计算。其于未见有较为明确的理论公式计算，为此本设计与试验研究对此作了如下的分析工作。见表2。
表2 试验研究成果分析表
类别
建筑物及其几何控制尺寸
一、环型堰
二、引渠
三、消力井
四、防涡墩
五、防涡墙
周长
长
宽
长
深
长
长
计算值
10.995
12.91
14
6.4
4.6
2.274
试验值
10.995
12.91
14
8.6
5.21
2.274
1.9
与堰长之比
1
1.174
1.273
0.782
0.474
0.207
0.173
备注
1.2倍
1.3倍
0.8倍
0.5倍
0.2倍
0.2倍