新疆某水電站溢洪道臺階段水工模型試驗研究

張魯魯

(水利部新疆維水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊　830000)

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新疆某水電站溢洪道臺階段水工模型試驗研究

張魯魯

(水利部新疆維水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊830000)

摘要：通過建立溢洪道物理模型，在臺階坡度恒定條件下，試驗采用0.65、1.0和1.3 m三種臺階高度，研究不同水位下的消能效率、摻氣狀況及水流流態，研究表明：同一臺階消能率與單寬流量成反比，單寬流量越大，消能效果越差；對不同臺階高度，臺階高度越高，消能率也越大。增加摻氣坎，可使水流充分摻氣，水流流態良好，可保證臺階面安全可靠運行。

關鍵詞：水工模型；溢洪道；臺階消能；摻氣坎

0前言

溢洪道是泄水建筑物的重要組成部分，其體型的合理性直接關系到泄流能力、水流流態及工程造價。臺階溢洪道是目前較好的形式之一[1]。臺階溢洪道適用于單寬流量較小的情況，一般不超過60 m3/(s.m)-1。臺階式溢洪道主要利用臺階上水流所形成的橫向旋滾及其與主流之間的剪切和動量交換來達到消能的目的[2]。艾克明、花力峰研究表明[3-4]：臺階消能是利用表面的臺階狀，將整個臺階段落差分為若干個小跌水，當水流沿臺階下泄時，在臺階表面形成一個個漩渦，從而促使水流流態紊亂，使水流沿跌水逐級摻氣，從而達到減速消能的效果。曾東洋[5]通過模型試驗得出，影響臺階式溢洪道消能率的因素主要是臺階的總高度、坡度和上游來流量。卞全認為[6-7]在臺階式溢洪道中，單寬流量越大，相應的摻氣量也越大。張志昌研究結果表明[8]：影響臺階式溢洪道消能效果的主要因素是臺階的高度、坡度和上游下泄流量。為合理地確定較優化的溢洪道臺階體型，本文通過臺階段物理模型，研究不同水位條件下的臺階高度及消能效率，提出經濟合理的臺階面參數，為今后相似溢洪道設計提供參考。

1工程概況

新疆某水電站工程溢洪道由明渠段、控制段、洞身泄槽段、臺階段、消力池段、出口明渠段組成。溢洪道設計水位下泄流量760.36 m3/s, 校核洪水位下泄流量869.86 m3/s。控制段采用WES實用堰型,堰寬12 m,堰頂高程1 296.50 m,采用開敞式進水口。由于現代河床右岸發育Ⅱ級基座階地,考慮到泄洪建筑物出口高程相對較低且距離現代河床較遠,泄水建筑物消能型式選擇底流消能方式。臺階段長98 m，底寬16 m，槽深4～5 m，底板坡度1∶1.65，臺階末端接消力池，池內設輔助消能工，溢洪道臺階段縱斷面見圖1。

圖1　溢洪道臺階段縱斷面圖　　　單位：mm

2模型設計與制作優化

溢洪道水工模型按照弗汝德重力相似準則進行設計，并考慮阻力相似，采用整體正態模型，溢洪道模型幾何比尺為1∶35。溢洪道模型全部采用有機玻璃制作，模型糙率為0.007 7～0.008 8，換算成設計原型糙率為0.014～0.016，接近混凝土糙率。模型設計中相關物理量的比尺見表1。

表1　模型的主要尺寸關系表

3臺階高度的選擇

臺階高度的選擇直接關系到臺階消能的效果及工程運行的可靠性，為尋找相對合理的臺階高度，更好地了解臺階面消能的變化規律，在工程運行可靠的前提下，充分考慮經濟合理性、體型施工方便性和實用性等因素，參考了部分已建工程臺階面的主要參數，見表2。

根據已建工程臺階面參數，本文模型在臺階面坡度1∶1.65不變的前提下，選擇0.65、1.0和1.3 m三個不同高度的臺階面進行消能率試驗研究。

表2　已建工程臺階面參數表

4臺階摻氣試驗

臺階面流態較為復雜，有的研究者建議[6-9]：為保證設計的臺階式溢流壩有較高的消能率，確定摻氣發生點，對臺階式溢洪道的水力設計有相當重要的意義。在設計水位下，進行了無摻氣坎臺階面流試驗，試驗結果表面：在臺階上游區段，約有臺階全長的1/2范圍內摻氣不明顯，水體呈現透明狀態，這說明摻氣沒有發展到水流表面。鑒于高速水流通過臺階的突出點時，有可能出現負壓，從而引起空化空蝕破壞，為了保證臺階面的正常安全運行，需考慮臺階面的摻氣問題。

試驗將摻氣坎位置設置在溢洪道拋物線末端處，為不減小臺階面的消能效果，坎高不宜太高，否則水舌空腔過長，會使空腔范圍的臺階不能起到消能作用，為使水舌摻氣充分，試驗將挑坎高度降低至17.5 cm，坡比1∶18，見圖1。在校核水位1 306.00 m時，摻氣坎處水舌底部最近落點在3號臺階，臺階面的摻氣相當充分，在6、7號臺階面上乳白色摻氣水流厚度基本接近總水深的1/2。到13號臺階處，其摻氣基本達到水流表面。通過不同水位試驗研究：摻氣情況會隨著挑坎處單寬流量的減小而變的更加充分，流態良好，通氣孔通氣暢通、空腔穩定。因此，設置摻氣坎可使水流充分摻氣，避免出現負壓引起的空化空蝕破壞，保證臺階面安全可靠運行。不同水位下摻氣坎的總摻氣量見表3。

表3　不同水位下摻氣坎總摻氣量表

5臺階消能率的成果分析

模型試驗在校核水位、設計水位、低庫水位等4個水位條件下，采用0.65、1.0、1.3 m三種臺階高度進行試驗。圖1中1-1、2-2斷面的位能Z1、Z2始終恒定，Z1為50.7 m、Z2為16.7 m ，因此對1-1、2-2斷面處的水深、流速進行了測定，見表4。

表4　臺階段1-1、2-2斷面消能計算表

根據表4成果顯示：在臺階面坡度1∶1.65不變的條件下，同臺階高度，臺階消能率與下泄單寬流量成反比，下泄單寬流量越大，臺階消能效果越差，反之，下泄單寬流量越小，臺階消能效果越好；在同一水位條件下，臺階高度越高、消能效果越好，1.3 m臺階效果最好，可達到50%～63%；1.0 m臺階效果次之，可達到42%～63%；0.65 m臺階消能效果可達到39.1%～59.78%。從消能效果來看，1.0 m與1.3 m臺階效果很接近。根據工程實際條件及經濟合理、便于施工、可靠實用等方面因素，該工程臺階高度采用1.0 m進行設計。

6結語

本文通過對溢洪道臺階段模型試驗研究分析得出以下主要結論：

(1) 不同高度的臺階，臺階高度越大，消能效果越好，但臺階尺寸太大，會引起流態變差，反之亦然；工程中應選擇流態較好、消能率較高的臺階尺寸；對相同高度臺階，不同水位條件下，下泄單寬流量越小，消能效果越好。

(2) 通過增加摻氣坎，可使水流充分摻氣，有助于避免空化空蝕破壞, 保證臺階面安全可靠運行。

參考文獻:

[1]葛旭峰,魯克恩.小石峽水電站表孔溢洪道模型試驗研究[J].南水北調與水利科技,2010,(10): 61-64.

[2]陳群.階梯式溢流壩紊流數值模擬及實驗研究[D].成都：四川大學博士學位論文,2001.

[3]艾克明.臺階式泄槽溢洪道的應用狀況淺析[C]//泄洪工程與高速水流論文集.長春:吉林科學技術出版社, 2000.

[4]花立峰,南曉紅.河岸式溢洪道體型布置分析與優化研究[J].水利與建筑工程學報, 2003,1(1): 22-25.

[5]曾東洋.臺階式溢洪道水力特性的試驗研究[D].西安:西安理工大學,2002.

[6]卞全.臺階式溢洪道的設計部分[J].國際水力發電,2005，(4):37-39 .

[7]張志昌,曾東洋,劉亞菲.臺階式溢洪道滑行水流水面線和消能效果的試驗研究[J].應用力學學報,2005,22 (1):30-35.

[8]汝樹勛,唐朝陽,梁川.曲線型階梯溢流壩壩面摻氣發生點位置的確定[J].長江科學院院報,1996,13，(2):7-16.

[9]驕迎養.臺階式溢洪道強迫摻氣水流水力特性的試驗研究[D].西安:西安理大學,2007.

Study on Hydraulic Model Tests on Step Section of Spillway

ZHANG Lulu

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000,China)

Abstract:Through the spillway model establishment, the energy dissipation efficiency, aeration and flow pattern by steps with height of 0.65 m, 1.0 m and 1.3 m respectively are studied at different water level and in condition of the fixed step slope. The study presents that the energy dissipation efficiency of the same step is inversely proportional with the discharge per unit width. The higher the discharge per unit width is, the weak the energy dissipation efficiency is. Regarding the different step height, the higher the step is, the higher the energy dissipation efficiency is. With increase of the aeration sills, the flow is aerated fully, the flow pattern is excellent, which can secure the safe and reliable operation of the step surface.

Key words:hydraulic model; spillway; energy dissipation by step; aeration sill

中圖分類號：TV32+1

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.021

作者簡介：張魯魯(1984- )，男，新疆庫爾勒人，碩士研究生，工程師，主要從事水工建筑物設計研究工作.

收稿日期：2015-09-01

文章編號：1006—2610(2016)01—0080—03