溢流池体型优化及泄流能力模型试验

李宁霄

（辽宁省河库管理服务中心，辽宁沈阳110000）

近年来，随着经济发展，为解决区域水量不均衡问题，我国兴建了许多跨流域引调水工程，例如南水北调工程、滇中引水工程、东深供水工程、胶东调水工程、万家寨引黄工程。在有压引水工程中，为保护隧洞及管道不超压，需要设置溢流池。

溢流池内水流变化复杂，通常夹杂着掺气和旋涡现象，目前国内外尚无成熟的数值模拟方法理论，物理模型试验仍然是此类建筑物设计的主流。王继涛利用特征线法建模，针对胶东调水工程进行数值模拟，认为设置溢流井方案能有效减小管道内的最大压力[1]，但是未能考虑溢流井内掺气和旋涡问题。李松平等针对玉阳湖溢洪道，建立了1∶40 正态比尺的水工模型，探索不同溢洪道体型对泄流能力、流态流速、压力分布的影响[2]。王志坤对佛寺水库溢流堰建立了正态水工模型，得到了水库静水位与泄流量关系曲线[3]。

试验以辽宁省重点输水工程溢流池为原型，建立溢流池及出口管道水工模型，观察不同流量时溢流池内水流流态、水深变化、压力分布，得到流量-溢流水深关系曲线，发现连接池与出水管道平滑过度的方案，能够有效的减少气阻和掺气，同时避免了水跃，对减少安全隐患、保证稳定运行具有实际意义。

1 工程原型

辽宁省重点输水工程溢流池，设置在有压隧洞中，主要构筑物包括竖井、连接池、出水管等。竖井和连接池为钢筋混凝土材质，出水管为无缝钢管。工程设计流量41.0 m3/s，正常工作水位208.9 m。当下游突发事故时，需要在此处泄掉全部流量，通过出水管道排放至地面河道。为此，设计了2 种溢流池体型方案。

1.1 方案1

溢流竖井内径5.8 m，溢流堰顶高程209.5 m。出水管道内径3.6 m。连接池长22.1 m，宽17.2 m，顶板高程212.00 m，底板采用倾斜式设计，连接池上部分底板高程208.00 m，下部分底板高程202.30 m，后接出水管道，管道倾角20.86°，进口管中心高程204.90 m。其平面布置见图1，剖面布置见图2。

1.2 方案2

将连接池底板改为平板式，底板高程变为206.00 m，出水管道进口底高程与连接池保持一致，从而管中心高程变为207.97 m，管道倾角变为23.87°，其他参数与方案1 相同。平面布置未改变，剖面布置见图3。

图1 平面布置图（单位：mm）

图2 方案1 剖面布置图（高程以m 计，其余均以mm 计）

图3 方案2 剖面布置图（高程以m 计，其余均以mm 计）

2 模型设计和试验方案

2.1 模型设计

溢流池原型长宽高相差不大，所以采用正态模型，考虑场地大小限制，按重力相似原则，选择长度比尺Lr=10，流量比尺Qr=316.23，流速比尺Vr=3.16[4，5]。模型整体材料使用透明有机玻璃。高程误差控制±0.3 mm内，平面距离误差控制±10.0 mm内；水准仪基点精度控制在±0.3 mm内。

2.2 试验方案

根据原型设计，方案1与方案2设计流量相同，均为41.0 m3/s，按该试验流量比尺Qr =316.23，换算后，模型设计流量129.65 L/s。根据工程设计，每个方案进行21 组相同工况的试验，详见表1。

3 试验成果分析

1）流量与溢流水位关系

表1 试验组次划分表

在流量1.0～45.0 m3/s 区间，方案1 与方案2的流量～溢流水位关系基本一致，即流量增加，溢流水位随之线性增高。设计流量下，2 个方案的连接池盖板底高程均满足净空要求。流量与溢流水深关系曲线见图4。

图4 流量与溢流水深关系曲线

2）压强观测

在出水管道进口底板正上方70 mm 处，设置压强观测点P。

方案1，随着流量的增长，观测点P 的压强值呈现出上升—平稳—下降趋势。在1.0～5.0 m3/s 区间出现负压，最大压强为0.13 m；7.0～15.0 m3/s 区间为正压平稳段，压强为0.05 m；17.0～45.0 m3/s区间出现负压，并且压强产生脉动，设计流量时，压强为-0.70 m。在出水管道与连接池附近都出现了气穴现象。

方案2，流量低于15 m3/s 时，水深较浅，观测点P 处无水；在17.0～45.0 m3/s 区间，随着流量的增长，压强值线性增加，压强值范围为0.10～0.23 m；设计流量时，观测点P 处压强为0.2 m。

可见，方案2 试验出水管段内及其连接池附近压力比方案1 更加趋于稳定。2 个方案的出水管道进口压强测量值与流量的关系曲线见图5。

图5 出水管道进口压强

3）流量与连接池水深关系

在流量1.0～45.0 m3/s 区间，流量增加，连接池水位随之线性增高，方案1 水面线较陡，方案2 较平缓。2 个方案连接池的内侧水位较高，分析是水流受侧壁影响，水流方向发生了改变，发生了雍水现象。

4）出水管道气阻现象观测

在流量1.0～45.0 m3/s 区间，方案1 与方案2在出水管均未出现气阻现象。当达到设计流量时，方案1 出水管道进口附近出现明满流交替现象，可能会对下游平直段管道进气和排气产生一定影响；方案2 未出现明满交替现象。

5）掺气现象观测

方案1，出水管内始终存在掺气现象，且流量越大，掺气越明显。方案2，在流量低于11.0 m3/s时，未出现掺气现象；超过13.0 m3/s 后，出水管内开始出现掺气现象，流量越大，掺气越明显，但与同流量下方案1 相比要小很多。

6）水跃现象观测

方案1，流量小于11.0 m3/s 时，在连接池内出现水跃现象；流量大于13.0 m3/s 后，水跃进入出水管内。方案2，在全部流量区间，连接池与出水管连接处始终未产生水跃现象，水流相对平稳。

4 结论

通过建立正态水工模型，对两种体型的溢流池原型进行模拟试验，发现相比于倾斜式连接池底板方案，平板式底板方案在水力学方面全面占优，不会产生负压，不会出现明满交替流现象，掺气更少，而且不会产生水跃。平板式底板方案唯一的缺点是体型大，施工时需要的工程量稍多，最终实际工程采用了平板式底板方案。试验为工程设计提供支撑，也可为以后类似的工程提供参考。