黄河规划设计

西霞院工程胸墙式泄洪闸流量系数选取及模型试验

秦云香王亚春(西霞院项目组) ［摘要］泄洪闸为西霞院工程主要泄洪建筑物，其中7孔胸墙式泄洪闸在流量计算时为带胸墙低堰孔口出流，因胸墙体型及布置与规范及参考书中公式的实用条件相差较大，因此根据模型试验分析适合本工程的流量系数计算方法和公式。［关键词］流量计算模型试验胸墙式泄洪闸西霞院水库 1 工程概述西霞院反调节水库是小浪底水利枢纽的配套工程，位于河南省境内黄河干流上。上距小浪底水利枢纽约16km。其开发目标以反调节为主，结合发电，兼顾供水、灌溉等综合利用的大型水利工程。该工程规模为大(2)型，属Ⅱ等工程，主要建筑物由挡水土石坝坝段及河床式电站、排沙洞、泄洪闸和引水闸等混凝土建筑物坝段组成。总库容1.62亿m３，电站装机容量140MW，4台35MW轴流机组，灌溉农田面积113.8万亩。坝顶总长3122m，其中土石坝长2609.0m，混凝土坝段长513.0m，坝顶高程139.0m，最大坝高为51.0m(混凝土坝段)。为确保水库的有效库容且满足下游河道输沙要求，西霞院水库汛限水位131m的泄流能力应不小于6000m３/s，并与小浪底水利枢纽汛期限制水位时下泄流量相适应。泄洪闸为工程的主要泄洪建筑物，共21孔，可研阶段泄洪闸均为开敞式泄洪闸堰体剖面采用WESⅢ型曲线，堰顶高程126.40m。初设阶段考虑小浪底运用方式，为加大泄水建筑物前沿漏斗，提高工程的排沙能力，在流量大于2000m３/s时开启低孔泄洪闸工程调度运用更方便灵活，因此21孔高位开敞式泄洪闸中靠近电站的7孔改为胸墙式泄洪闸。 2 胸墙式泄洪闸布置(原体型布置) 胸墙式泄洪闸每孔净宽9m，孔口尺寸9×4.5m(宽×高)，堰型为实用堰，堰体曲线采用抛物线，曲线方程y=x2/32.5，堰顶高程为121m，胸墙厚2.23m，胸墙底缘型式为R＝1m的圆弧段与1:2的压坡连接，胸墙底缘高程125.5m。堰前闸底板与上游30m长混凝土铺盖相连，顶高程为118m，上游面坡度1∶2。铺盖总长68m，并以1∶4的坡度与上游河床相接。泄洪闸下游采用底流消能，消力池长49m，其底板高程114.00m，池深2m，尾坎顶部高程116.00m。消力池下为114m长的海漫，其中74m混凝土、20m浆砌石和20m干砌石，坡度为0.0673。紧接着是防冲槽，末端以1:4反坡与下游原河床相接。 3 流量计算及存在问题3.1 流量计算胸墙式泄洪闸采用实用堰堰面曲线，根据《溢洪道设计规范》SL253—2000附录A.2.2带胸墙孔口实用堰的泄流能力计算公式为：式中 A——孔口面积，m２； H0——计入行近流速水头的堰上总水头，m； μ——孔口自由出流的流量系数(当P1/Hd>0.6,H/D=2～3时，μ＝0.70～0.80；当P1/Hd>0.6, H/D=1.5～2时，μ＝0.60～0.70)； Hd——定型设计水头 H——堰上水头。根据堰面曲线的设计，Hd＝0.65Hmax=9m, P1=121-118=3m, P1/Hd=0.33,不满足上述范围，考虑H/D在2～3范围内，根据比值内插选取流量系数0.72～0.77。经判断为自由出流，流量计算不考虑淹没影响，流量成果见表1。 3.2 存在问题从表1计算可知，采用《溢洪道设计规范》SL253—2000中带胸墙孔口实用堰泄流能力计算公式，计算条件不符合P1/Hd>0.6的条件，只是近似采用。流量系数也根据H/D的比值在μ＝0.70～0.80范围内按比例选取，且公式中胸墙底缘对应堰顶高程。本泄洪闸胸墙布置时考虑检修闸门布置在胸墙前缘，工作门布置在胸墙末端，因此胸墙底缘位于堰顶轴线下游，对应堰面高程120.75m，与规范适用条件不一致。根据《混凝土重力坝设计规范》DL5108—1999，孔口泄流能力计算公式式中 Ak——出口处面积，m２； Hw——自由出流时孔口中心处的作用水头，淹没泄流时为上下游水位差，m； μ——孔口或管道的流量系数，初期设计时对设有胸墙的堰顶高孔，当HW/D=2.0～2.4 (D为孔口高，m) 时，取μ＝0.74～0.82，对深孔取μ＝0.83～0.93，当为有压流时，必须计算沿程及局部水头损失后确定。西霞院工程汛期限制水位时HW/D不满足2.0～2.4，不能在该范围取值。从已建天桥泄洪闸及丰满、柘溪水库溢流坝的泄流计算分析，因胸墙底缘曲线不同、曲线与水平线夹角不同及胸墙在堰顶轴线位置的不同，采用的公式及水头取值都不相同。天桥电站采用的公式μ=0.65-0.186e/H+(0.25-0.35e/H)cos(θ)，水头采用堰顶水头。丰满及柘溪水库流量系数采用的公式为μ＝0.85－0.31e/H。西霞院工程采用上述两个公式计算成果见表2。可见两个公式计算成果与西霞院工程目前采用的计算仍有差别，因此需进行水工模型试验，根据模型试验成果分析得出合理的计算公式。 4 水工单体模型试验及流量系数的选取西霞院工程在初设阶段进行了1：50的泄洪闸单体模型试验，模型选1个整墩，2个半墩，2个整闸孔，来流流道共计24.50m宽。胸墙式泄洪闸泄流是由堰流逐渐过渡到孔流，根据试验观测，由模型实测结果并采用孔流泄流计算公式，对各级特征水位下的流量系数进行计算，闸孔底板为实用堰，由于孔口位置在堰顶下游2.73m处，按堰顶计算孔口高度4.5m，实际过流孔口高度4.73m(胸墙底至堰面)流量系数分别按两种孔口高度计算，结果一并列入表3中。式中：Q为过闸流量； μ为孔流流量系数；n为闸孔孔数；b为每孔闸的净宽；e为闸孔的孔高；H0为计入行近流速水头的堰上水头。从上表3计算可知，虽然西霞院工程为低堰， P1/Hd＝0.33＜0.6,流量系数亦在μ＝0.70～0.80范围。试验值大于设计值5%～6%。试验值大于天桥电站及丰满电站流量系数计算值，且与丰满电站流量系数范围稍接近。考虑胸墙体型对流量系数影响较大，且试验中根据胸墙底缘的压力测试成果，胸墙底缘弧段在各级特征水位下，均存在着负压，为了消除负压，对胸墙进行了如图1所示的五种体型修改，表中五种胸墙体型底缘最低点高程都是125.5m，且胸墙下的堰面型式一样。五种修改的体型，胸墙头部当为圆弧时，圆弧半径从0.5～2m，当为椭圆时椭圆的长、短轴逐渐增大，斜坡比较了1：2、1：3两种压坡。五种体型试验成果见表4。可见，当上下游水位一定时，影响胸墙式泄洪闸泄流能力主要因素有堰面型式和胸墙型式，当堰面型式不变时，胸墙体型(胸墙厚度和压坡)是影响泄流的主要因素。从表4中可以看出，原设计、改1及改2三个方案中胸墙厚度和压坡坡度相同，仅胸墙进口局部曲线变化，在同一水流条件下，泄量变化不大；改3与原设计相比，仅压坡变陡，相同水流条件下，其泄量约减少5％。泄量之所以减小主要是泄洪闸堰面为实用堰，当胸墙压坡变陡，出孔水流由于惯性压迫水舌，减小了过流面积。改4与原设计相比，压坡相同，胸墙变薄，其泄量减少约6％，改4泄量减少的主要原因是压坡位置上移，实际过流孔口高度减小缘故；改5同原设计相比，胸墙厚度增加，压坡变缓，其泄量增加较多，约5％～7％。改5泄量的增加主要是胸墙加厚压坡变缓造成的。可见，当堰型一定时，胸墙压坡是影响泄量的主要因素，当胸墙厚度一定时，压坡越缓流量系数越大。同时椭圆曲线优于圆弧曲线，弧度半径越大，弧度越缓，流量系数也越大。修改后各特征水位下流量见表5。由表5可见试验值大于设计值11％～13％，经分析胸墙段由原来的厚2.23m，增加到5.93m，胸墙弧段负压消除，向下至1∶3的压坡段均为有压流，表明改5体型合理。若泄洪闸进口为有压段，根据《混凝土重力坝设计规范》DL5108—1999，当为有压流时流量系数必须计算沿程及局部水头损失后确定。根据进口局部及沿程损失计算，计算得流量系数为0.911。流量系数调整后，流量较大，因此将原体型孔口高度由4.5m调整为4.1m。修改后试验及设计值对比见表6，其中H0为孔口中心线处水头。可见按有压流计算时，流量系数与模型试验成果较为接近，模型试验流量大于设计流量5％左右，符合一般模型试验成果规律，认为流量满足设计要求。 5 结论带胸墙孔口式实用堰孔口出流，其流量系数受胸墙底缘形状及堰面曲线的影响较大，同时胸墙位于堰顶轴线(或坝轴线)上、下游的位置不同，对流量系数也带来较大影响。低堰中驼峰堰式带胸墙孔口出流研究的较多，对不同胸墙底缘曲线下的流量系数有参考文献，实用堰带胸墙孔口出流参考文献较少。丰满、柘溪水库均为抛物线实用堰面但胸墙底缘为圆弧，底缘水平。天桥电站底孔泄洪闸胸墙底缘为圆弧，但与水平方向的夹角为25°。西霞院泄洪闸胸墙底缘为1∶3的直线段，采用上述两个工程的流量系数计算公式，流量系数为0.65～0.75，与西霞院工程模型试验推荐公式为，流量系数为0.83～0.89，差别较大。根据西霞院工程模型试验可知，当堰型一定时，胸墙压坡是影响泄量的主要因素，当胸墙厚度一定时，压坡越缓流量系数越大。同时椭圆曲线优于圆弧曲线，弧度半径越大，弧度越缓，流量系数也越大。西霞院工程考虑胸墙较厚长5.93m，已形成了压力段，根据模型试验成果，采用有压流计算沿程及局部水头损失后确定流量系数是合适的。因此对此类泄洪闸设计时，因流量系数受胸墙底缘曲线、堰面曲线及胸墙的位置等影响较大，流量系数选取时要仔细分析工程的特点，并注意计算水头的采用，同时在不产生负压的前提下，采取大半径缓压坡将有利于增大泄流量。