高落差泄水建筑物水力模型试验的论证研究

【摘要】乌苏市城市防洪工程洪水标准为30年一遇，堤防工程级别均为3级，洪峰流量Q=59.52m3/s，总长7.66km，末端182m为陡坡及消力池段，高差76.63m；天然纵坡i=0.82，采用水力学经验公式计算结果不可靠，故委托委托新疆农业大学水利水电研究所对陡坡消力池进行水力模型试验，设计过程中结合科研部门分析成果确定了水工建筑物的主要设计参数，为今后同类工程的设计提供宝贵经验和资料。本文结合工程特点主要针对模型试验的方法及结论进行阐述。【关键词】城市防洪；陡坡消力池；水力模型1、工程概况乌苏市是新疆自治区重点发展县市之一，经济发展较快，具有较大发展潜力。结合最新城市总体规划，现有防洪体系无法保证城市安全。乌苏市城市防洪工程对于城区市民生命财产安全和安居乐业具有重大意义。本工程主要针对城市以南的14条洪沟，通过修建防洪工程本防洪工程以现状城南防洪堤为起点，总体布置大致为由西向东沿天然地形布置，将涉及不利洪水导入天然河道内。工程修建防洪堤7.66km，除末端182m为台阶消能及出口段、采用矩形断面，其余段落采用梯形砼板衬砌形式。2、陡坡段设计方案选择本工程防洪堤属常规工程设计，但末端长182m、天然落差大（76.63m）、纵坡陡（i=0.82），同时受两条道路和两条渠道影响将其分为数段且不能影响现状道路及渠道高程，属本工程难点，因此将该段工程作为本工程重点设计内容。方案选择采用一级台阶消能方案和两级台阶消能方案进行比较，在满足不影响现状道路及渠道高程前提下，采用两级台阶消能方案最为可行。针对此段分析，两级台阶消能段总长182m，其中一级台阶消能段长101.83m，二级台阶消能段长80.2m。3、泄水陡坡水工模型试验3.1 模型设计和制作模型设计遵循重力相似准则，采用正态模型。为使模型试验能够较真实地反映原型的水流情况，在选择水工结构模型材料时必须近似模型材料的糙率要求。根据重力相似要求，有：原型泄水建筑物的糙率，模型泄水建筑物的糙率应为，有机玻璃材料的糙率一般为0.008～0.009，满足糙率要求，所以模型中泄水建筑物材料选用有机玻璃。3.2 设计方案水工模型试验3.2.1 模型试验主要工况试验采用三角形薄壁量水堰，用于测定恒定流流量，量水堰堰型满足量程和精度要求。三角形形薄壁量水堰的流量计算參见公式2-2，可以得到三角形量水堰H～Q关系表。3.2.3 泄水陡坡水流流态通过对试验观察，总结泄水陡坡各段水流具体流态描述如下：（1）水流在最大下泄流量工况中，进口段水流平稳，水面波动较小，与泄水陡坡段水流连接顺畅。（2）泄水的两级陡坡在最大流量时，一级陡坡内由于坡度较陡水深较小，沿程台阶上旋流明显，二级陡坡内水深相对一级来说有增大，沿程台阶前半部分无明显旋流，陡坡段有掺气。（3）两级消力池段内产生淹没水跃，流态正常，池内水深相对较大，一级消力池内最大水深为4.80m，二级消力池内最大水深4.84m，消力池边墙设计高度不够。3.2.4 泄水陡坡沿程水深当泄洪建筑物下泄最大下泄流量时，试验测试记录典型断面的水深。按实测的有关数据进行掺气水深计算，规范推荐的计算公式为：

3.3试验结论通过水工模型试验，得到设计方案的水流流态、水面线等，对试验结果分析初步得出如下结论：（1）在最大下泄流量59.52m3/s工况中，在泄水陡坡进口段、一级陡坡、一级消力池、二级陡坡、二级消力池和出口段内水流流态正常，消能较充分，满足设计要求。（2）在59.52m3/s下泄流量时陡坡进口段水流平稳，水面波动较小，与泄水陡坡段水流连接顺畅，边墙高度满足要求。（3）泄水一级陡坡在59.52 m3/s下泄流量时，由于坡度较陡水深较小，沿程台阶上旋流明显，陡坡段有掺气。陡坡段沿程水深逐渐减小，最大水深发生在桩号7+207.7m处，水深为1.36m，考虑掺气水深为1.416m，边墙设计高度为1.926m，基本满足设计要求。（4）一级消力池段内产生淹没水跃，流态正常，池内水深相对较大，一级消力池进口水流旋滚区水流跳跃明显，最大水深达到4.80m，消力池中后部水流波动时较高水深在4.5m-4.7m，而消力池边墙设计高度为4.5m，不能满足要求，建议一级消力池边墙根据规范要求适当加高。（5）泄水二级陡坡在59.52 m3/s下泄流量时，泄槽内水深相对一级来说有增大，沿程台阶前半部分无明显旋流，后半部分台阶上有旋流，陡坡段有掺气。陡坡段沿程水深逐渐减小，最大水深发生在桩号7+309.5m处，最大水深为1.28m，考虑掺气水深为1.336m，边墙设计高度为1.18m，不能满足要求，建议二级陡坡边墙按照规范要求加高。（6）二级消力池段内产生淹没水跃，流态正常，池内水深相对较大，总体池内水深比一级消力池内水深稍大，二级消力池内最大水深4.84m，消力池边墙设计高度为4.3m，不能满足要求，建议二级消力池边墙按照规范要求加高。4、结语本工程陡坡消力池段落差、纵坡较大，采用水力学经验公式计算结果不可靠，通过水力模型试验，有效指导了计算中有关参数的选取，充分验证水力计算成果，为水工建筑物主要设计参数确定提供可靠参考。同时为今后同类工程设计提供宝贵经验和资料。参考文献：[1]《新疆乌苏市城南防洪应急工程初步设计（代可研）报告》，2018年1月。[2]《乌苏市城市防洪应急工程泄水陡坡水工模型试验研究报告》，2018年8月。作者简介：吾提库尔·胡斯曼（1973年10月—），高级工程师，研究方向：从事于水利水电勘察规划与设计工作。