豎井溢洪洞進口段水工模型試驗研究

梁　遲

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

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豎井溢洪洞進口段水工模型試驗研究

梁遲

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

摘要：通過建立水工物理模型，合理的確定堰頂高程，在設計、校核水位下，有效的增加下泄流量2.2%和3.2%；調整環形摻氣坎起坡點高程及坡度，水流流態穩定，水流摻氣效果較好；增加挑流坎、摻氣孔可有效的降低堰面負壓值，使負壓值滿足規范設計要求。

關鍵詞：水工模型；溢洪洞；摻氣坎；挑流坎；流態穩定

0前言

豎井泄洪洞是與導流洞結合改建 成永久泄洪洞的一種消能工形式[1]。傳統的豎井溢洪洞控制段易產生漩渦、影響泄流能力、產生結構震動[2]。在WES堰與豎井連接段連接處易產生負壓，從而引起空蝕破壞[3]。根據模型試驗初步擬定體型的模型試驗結果顯示：設計水位和校核水位時的實測泄流能力均小于設計要求；堰頂部位存在較大的負壓區；因此，進口溢流壩段體型的合理性直接影響泄流能力、水流穩定性和結構的穩定性。本文通過優化堰頂高程、增加摻氣坎等措施對豎井溢洪洞進口控制段物理模型進行研究優化，為今后相似工程設計提供參考。

1工程概況

吉音水利樞紐工程位于新疆和田地區于田縣境內的克里雅河干流上，壩址位于克里雅河支流烏什開布隆達里亞河與克里雅河干流吾格也克河交匯口上游約830 m處，壩址以上控制流域面積6 375 km2，是克里雅河流域開發的控制性工程，是一項以灌溉、防洪為主，兼顧發電的綜合性水利工程。

豎井溢洪洞由引渠段、進口溢流控制段、豎井段、水平旋流段、平洞段組成。豎井溢洪道設計水位2 059.13 m，下泄流量493 m3/s,校核水位2510.773，下泄流量650 m3/s。控制段采用WES實用堰，堰頂高程2500.5m，WES堰的控制曲線方程為y=0.0827x1.85,曲線末端與半徑為12.5 m的圓弧曲線相接；控制段總長20.655 m。

2模型設計與制作優化

表孔溢洪洞常壓水工模型按照重力相似準則設計，模型幾何比尺為1∶30，為便于觀察流態，模型進口溢流控制段采用透明有機玻璃精細加工制作。有機玻璃糙率系數nM為0.008，根據曼寧公式按照模型比尺換算得到原型糙率nP為0.0141，與混凝土表面糙率0.014接近，基本滿足糙率相似條件。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進口堰頂高程優化

表孔泄洪洞在不同水位時的流量系數隨著水位升高而增大。按照設計要求，設計水位的下泄流量為493 m3/s，根據模型實測流量與設計水位下泄流量進行了比較。由表2可知，在設計水位及校核水位的實測泄量比設計要求的下泄流量分別小4.7%和3.9%，泄流能力不能滿足設計要求，因此需對堰頂高程做相應調整。溢流堰頂高程降低0.5m，溢流堰頂高程降低后，溢洪洞在設計水位及校核水位兩個工況下的過流能力分別達到504 m3/s和671 m3/s，下泄能力較設計要求分別增大2.2%和3.2%，泄流能力能夠滿足設計要求并略有余量。

4進口摻氣坎體型優化

在溢流壩面增設摻氣坎，在坎后溢流壩面及漸變段之間形成穩定的摻氣空腔。水流經1:3的環形摻氣坎后主流折向上游側邊壁，并順著上游側邊壁泄入起旋室。摻氣環后靠上游側空腔長度較小，同時在靠下游側邊壁形成較大的摻氣空腔。豎井內主水流及摻氣空腔形態均較穩定，但豎井內水流嚴重不對稱。

為改善豎井內水流流態，經試驗研究：通過調整溢流堰末端調坎體型可有效改善豎井水流流態。根據圖1和圖2顯示：環形摻氣坎起坡點高程由2 474.169 m調整為2 472.069 m，坡度由1∶3修改為1∶5。模型調整后，在各泄洪條件下，進口段水面比較穩定，無明顯波動，堰頂溢流控制段的水流呈自由堰流狀態，水流順暢。溢流堰末端挑坎至豎井連接段底部均能形成穩定的摻氣空腔，水流向豎井內吸入大量氣體。摻氣環后主流比較順暢，沒有明顯的折流作用，豎井內水流較模型修改前有明顯改善，且在不同工況泄流下，摻氣環下均能形成穩定的空腔。經比較表明：調整溢流堰末端調坎體型，水流流態穩定，水流摻氣效果較好，是溢流壩及豎井段的理想體型。

表2　進口優化前后下泄流量對比表

表3　進口堰面優化前后壓強分布對比表

5進口堰面體型優化

在堰面布設15個監測點，在設計水位和校核洪水位下，根據表3數據顯示，優化前溢流堰面上存在較大的負壓區，設計水位泄洪時實測最大負壓為-36.2kPa，校核水位泄洪時的實測最大負壓為-43.4kPa。為有效的降低負壓區產生的氣蝕破壞，在堰面設置摻氣坎，如圖3示：

圖1　優化前摻氣坎體型

圖2　優化后摻氣坎體型

設置摻氣坎后，根據表3監測數據顯示：溢流堰面負壓明顯減小，實測最大負壓值有最大的-43.4 kPa減小為-8.9 kPa，滿足《溢洪道設計規范》要求。

6結論

1)表孔泄洪洞堰頂高程2500.50m時，在設計水位及校核水位的實測泄量分別為527.6 m3/s和684.05 m3/s；模型實測流量大于設計要求的下泄流量，泄流能力滿足設計要求，并有一定的超泄余量。

2)在豎井高程2474.169m處設置1：5的環形摻氣坎，在各種泄洪條件下坎后均能形成穩定的摻氣空腔，豎井內水流順暢，較1:3的環形摻氣坎，豎井內水流具有顯著的對稱性。

3)設置挑坎及摻氣孔后，溢流堰面負壓明顯減小，滿足《溢洪道設計規范》要求。

參考文獻：

[1]董興林，郭軍，肖白云等.旋流喇叭形豎井泄洪洞水力學機理及應用[J].水利學報，2011.

[2]法爾維HT著.水工建筑物中的摻氣水流[M].王顯煥譯.北京：水利電力出版社，1984 .

[3]董興林，高季章，鐘永江，等.超臨界流旋渦豎井式溢洪道設計研究[J].水力發電，1996(1)：27-33 .

[4]吉音水利樞紐工程水工模型試驗研究綜合報告[R]中國水利水電科學研究院

Experiment and Research of Hydraulicmodel at Inlet Section of Spillway of Shaft

LIANG Chi

(Uygur Autonomous Regional Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation，Design and Research Institute Xinjiang，Urumqi 830000，China)

Abstract：By establishing the physical model for a hydraulic structure to conform reasonably the crest elevation，discharge was increased effectively by 2.2% and 3.2% under water design and check levels.The elevation and gradient of the initial sloping spot in circle air mixing bucket were adjusted to appear that the flow regime was stable，and the effect of water flow mixing was better.To increase the bucket and mixing air hole may reduce effectively the negative pressure value of weir surface for the negative value to meet the demands of specification design.

Key words：hydraulicmodel；spillway；air mixing bucket；trajectory bucket；fluid stability

文章編號：1007-7596(2016)04-0163-03

[收稿日期]2016-03-09

[作者簡介]梁遲(1983-)，男，工程師，從事水利水電勘測設計工作。

中圖分類號：TV651.1+3

文獻標識碼：B