新疆某水電站溢洪道臺(tái)階段水工模型試驗(yàn)研究

張魯魯

(水利部新疆維水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊　830000)

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新疆某水電站溢洪道臺(tái)階段水工模型試驗(yàn)研究

張魯魯

(水利部新疆維水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊830000)

摘要：通過(guò)建立溢洪道物理模型，在臺(tái)階坡度恒定條件下，試驗(yàn)采用0.65、1.0和1.3 m三種臺(tái)階高度，研究不同水位下的消能效率、摻氣狀況及水流流態(tài)，研究表明：同一臺(tái)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(duì)不同臺(tái)階高度，臺(tái)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(tài)良好，可保證臺(tái)階面安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水工模型；溢洪道；臺(tái)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(guān)系到泄流能力、水流流態(tài)及工程造價(jià)。臺(tái)階溢洪道是目前較好的形式之一[1]。臺(tái)階溢洪道適用于單寬流量較小的情況，一般不超過(guò)60 m3/(s.m)-1。臺(tái)階式溢洪道主要利用臺(tái)階上水流所形成的橫向旋滾及其與主流之間的剪切和動(dòng)量交換來(lái)達(dá)到消能的目的[2]。艾克明、花力峰研究表明[3-4]：臺(tái)階消能是利用表面的臺(tái)階狀，將整個(gè)臺(tái)階段落差分為若干個(gè)小跌水，當(dāng)水流沿臺(tái)階下泄時(shí)，在臺(tái)階表面形成一個(gè)個(gè)漩渦，從而促使水流流態(tài)紊亂，使水流沿跌水逐級(jí)摻氣，從而達(dá)到減速消能的效果。曾東洋[5]通過(guò)模型試驗(yàn)得出，影響臺(tái)階式溢洪道消能率的因素主要是臺(tái)階的總高度、坡度和上游來(lái)流量。卞全認(rèn)為[6-7]在臺(tái)階式溢洪道中，單寬流量越大，相應(yīng)的摻氣量也越大。張志昌研究結(jié)果表明[8]：影響臺(tái)階式溢洪道消能效果的主要因素是臺(tái)階的高度、坡度和上游下泄流量。為合理地確定較優(yōu)化的溢洪道臺(tái)階體型，本文通過(guò)臺(tái)階段物理模型，研究不同水位條件下的臺(tái)階高度及消能效率，提出經(jīng)濟(jì)合理的臺(tái)階面參數(shù)，為今后相似溢洪道設(shè)計(jì)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(tái)階段、消力池段、出口明渠段組成。溢洪道設(shè)計(jì)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(shí)用堰型,堰寬12 m,堰頂高程1 296.50 m,采用開敞式進(jìn)水口。由于現(xiàn)代河床右岸發(fā)育Ⅱ級(jí)基座階地,考慮到泄洪建筑物出口高程相對(duì)較低且距離現(xiàn)代河床較遠(yuǎn),泄水建筑物消能型式選擇底流消能方式。臺(tái)階段長(zhǎng)98 m，底寬16 m，槽深4～5 m，底板坡度1∶1.65，臺(tái)階末端接消力池，池內(nèi)設(shè)輔助消能工，溢洪道臺(tái)階段縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1　溢洪道臺(tái)階段縱斷面圖　　　單位：mm

2模型設(shè)計(jì)與制作優(yōu)化

溢洪道水工模型按照弗汝德重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮阻力相似，采用整體正態(tài)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(jī)玻璃制作，模型糙率為0.007 7～0.008 8，換算成設(shè)計(jì)原型糙率為0.014～0.016，接近混凝土糙率。模型設(shè)計(jì)中相關(guān)物理量的比尺見(jiàn)表1。

表1　模型的主要尺寸關(guān)系表

3臺(tái)階高度的選擇

臺(tái)階高度的選擇直接關(guān)系到臺(tái)階消能的效果及工程運(yùn)行的可靠性，為尋找相對(duì)合理的臺(tái)階高度，更好地了解臺(tái)階面消能的變化規(guī)律，在工程運(yùn)行可靠的前提下，充分考慮經(jīng)濟(jì)合理性、體型施工方便性和實(shí)用性等因素，參考了部分已建工程臺(tái)階面的主要參數(shù)，見(jiàn)表2。

根據(jù)已建工程臺(tái)階面參數(shù)，本文模型在臺(tái)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(gè)不同高度的臺(tái)階面進(jìn)行消能率試驗(yàn)研究。

表2　已建工程臺(tái)階面參數(shù)表

4臺(tái)階摻氣試驗(yàn)

臺(tái)階面流態(tài)較為復(fù)雜，有的研究者建議[6-9]：為保證設(shè)計(jì)的臺(tái)階式溢流壩有較高的消能率，確定摻氣發(fā)生點(diǎn)，對(duì)臺(tái)階式溢洪道的水力設(shè)計(jì)有相當(dāng)重要的意義。在設(shè)計(jì)水位下，進(jìn)行了無(wú)摻氣坎臺(tái)階面流試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表面：在臺(tái)階上游區(qū)段，約有臺(tái)階全長(zhǎng)的1/2范圍內(nèi)摻氣不明顯，水體呈現(xiàn)透明狀態(tài)，這說(shuō)明摻氣沒(méi)有發(fā)展到水流表面。鑒于高速水流通過(guò)臺(tái)階的突出點(diǎn)時(shí)，有可能出現(xiàn)負(fù)壓，從而引起空化空蝕破壞，為了保證臺(tái)階面的正常安全運(yùn)行，需考慮臺(tái)階面的摻氣問(wèn)題。

試驗(yàn)將摻氣坎位置設(shè)置在溢洪道拋物線末端處，為不減小臺(tái)階面的消能效果，坎高不宜太高，否則水舌空腔過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使空腔范圍的臺(tái)階不能起到消能作用，為使水舌摻氣充分，試驗(yàn)將挑坎高度降低至17.5 cm，坡比1∶18，見(jiàn)圖1。在校核水位1 306.00 m時(shí)，摻氣坎處水舌底部最近落點(diǎn)在3號(hào)臺(tái)階，臺(tái)階面的摻氣相當(dāng)充分，在6、7號(hào)臺(tái)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(hào)臺(tái)階處，其摻氣基本達(dá)到水流表面。通過(guò)不同水位試驗(yàn)研究：摻氣情況會(huì)隨著挑坎處單寬流量的減小而變的更加充分，流態(tài)良好，通氣孔通氣暢通、空腔穩(wěn)定。因此，設(shè)置摻氣坎可使水流充分摻氣，避免出現(xiàn)負(fù)壓引起的空化空蝕破壞，保證臺(tái)階面安全可靠運(yùn)行。不同水位下?lián)綒饪驳目倱綒饬恳?jiàn)表3。

表3　不同水位下?lián)綒饪部倱綒饬勘?/p>

5臺(tái)階消能率的成果分析

模型試驗(yàn)在校核水位、設(shè)計(jì)水位、低庫(kù)水位等4個(gè)水位條件下，采用0.65、1.0、1.3 m三種臺(tái)階高度進(jìn)行試驗(yàn)。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(duì)1-1、2-2斷面處的水深、流速進(jìn)行了測(cè)定，見(jiàn)表4。

表4　臺(tái)階段1-1、2-2斷面消能計(jì)算表

根據(jù)表4成果顯示：在臺(tái)階面坡度1∶1.65不變的條件下，同臺(tái)階高度，臺(tái)階消能率與下泄單寬流量成反比，下泄單寬流量越大，臺(tái)階消能效果越差，反之，下泄單寬流量越小，臺(tái)階消能效果越好；在同一水位條件下，臺(tái)階高度越高、消能效果越好，1.3 m臺(tái)階效果最好，可達(dá)到50%～63%；1.0 m臺(tái)階效果次之，可達(dá)到42%～63%；0.65 m臺(tái)階消能效果可達(dá)到39.1%～59.78%。從消能效果來(lái)看，1.0 m與1.3 m臺(tái)階效果很接近。根據(jù)工程實(shí)際條件及經(jīng)濟(jì)合理、便于施工、可靠實(shí)用等方面因素，該工程臺(tái)階高度采用1.0 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)溢洪道臺(tái)階段模型試驗(yàn)研究分析得出以下主要結(jié)論：

(1) 不同高度的臺(tái)階，臺(tái)階高度越大，消能效果越好，但臺(tái)階尺寸太大，會(huì)引起流態(tài)變差，反之亦然；工程中應(yīng)選擇流態(tài)較好、消能率較高的臺(tái)階尺寸；對(duì)相同高度臺(tái)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(guò)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(tái)階面安全可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

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

[2]陳群.階梯式溢流壩紊流數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D].成都：四川大學(xué)博士學(xué)位論文,2001.

[3]艾克明.臺(tái)階式泄槽溢洪道的應(yīng)用狀況淺析[C]//泄洪工程與高速水流論文集.長(zhǎng)春:吉林科學(xué)技術(shù)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(yōu)化研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2003,1(1): 22-25.

[5]曾東洋.臺(tái)階式溢洪道水力特性的試驗(yàn)研究[D].西安:西安理工大學(xué),2002.

[6]卞全.臺(tái)階式溢洪道的設(shè)計(jì)部分[J].國(guó)際水力發(fā)電,2005，(4):37-39 .

[7]張志昌,曾東洋,劉亞菲.臺(tái)階式溢洪道滑行水流水面線和消能效果的試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2005,22 (1):30-35.

[8]汝樹勛,唐朝陽(yáng),梁川.曲線型階梯溢流壩壩面摻氣發(fā)生點(diǎn)位置的確定[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),1996,13，(2):7-16.

[9]驕迎養(yǎng).臺(tái)階式溢洪道強(qiáng)迫摻氣水流水力特性的試驗(yàn)研究[D].西安:西安理大學(xué),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(hào)：TV32+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.021

作者簡(jiǎn)介：張魯魯(1984- )，男，新疆庫(kù)爾勒人，碩士研究生，工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)研究工作.

收稿日期：2015-09-01

文章編號(hào)：1006—2610(2016)01—0080—03