溢洪道差動式挑坎水力特性分析和計算探討

黃智敏,付 波,陳卓英,鐘勇明

(廣東省水利水電科學研究院，廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635)

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溢洪道差動式挑坎水力特性分析和計算探討

黃智敏,付 波,陳卓英,鐘勇明

(廣東省水利水電科學研究院，廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635)

溢洪道差動式挑流鼻坎可增大其挑射水舌的擴散、碰撞、摻氣和消能率，從而減輕下游河床的沖刷。目前對差動式挑坎水力特性研究成果仍較少，給工程設計帶來極為不便。在現有的文獻和成果總結和分析的基礎上，開展了差動式挑坎下游河床沖刷特性的試驗研究，對差動式挑坎段的水面線、挑射水舌挑距及其下游河床沖刷特性和計算方法進行探討，并進一步補充了差動式挑坎下游沖刷影響系數與其體型和泄流水力參數的關系。研究成果與水力模型試驗結果較吻合，可供類似工程設計和運行參考。

溢洪道；差動式挑流鼻坎；水面線；挑距；沖深

1 概述

溢洪道差動式挑坎是在連續的挑坎上設置齒、坎相間的挑坎，促使溢洪道下泄急流挑離鼻坎時上、下分散，增大挑射水流在空中的碰撞、紊動、摻氣以及在下游河道水流的淹沒擴散，以減輕對下游河床的沖刷[1](見圖1)。差動式挑坎已在國內眾多的溢洪道工程中得到了應用[2-4]，但目前對其水力特性研究成果仍較少，給工程設計帶來極為不便。本文綜合現有的有關文獻和成果，對差動式挑坎段的水面線、挑射水舌挑距及其下游河床沖刷坑深度等特性和計算方法進行探討，供相關的工程設計和運行參考。

圖1 差動式挑坎挑射水舌示意

2 差動式挑坎段水面線特性和計算

通常，溢洪道沿程水面線計算可以分為溢流堰曲線段、壩面陡坡段和反弧段等3部分，其中反弧段又可以分為上反弧段和下反弧段兩部分。溢流堰曲線段、壩面陡坡段沿程水面線的計算方法已較成熟，具體可參見有關的文獻[1]；文獻[5]對連續式反弧段水面線計算方法進行了分析和探討，可供工程設計參考。由于溢洪道差動式挑坎一般多設置在反弧段的下反弧段中，因此，可根據已有的文獻和成果，在溢洪道泄流落差和單寬流量確定的條件下，計算出溢洪道反弧段底部斷面的水深后，再計算出下反弧段的差動式挑坎出口斷面水深及流速值，作為差動式挑坎出口下游挑射水舌水力參數計算的依據。

由圖2，在反弧段泄流單寬流量和反弧段底部斷面水深值已知的條件下，文獻[5]提出的溢洪道下反弧段沿程水深的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

圖2 下反弧段水深計算示意

圖3 溢洪道挑射水舌及下游河床沖刷示意

由式(1)～(3)，由已知的差動式挑坎體型參數，可采用分段方法分別計算出差動式挑坎出口斷面的高、低坎斷面水深和流速值。若溢洪道差動式挑坎從反弧段的上反弧段中開始設置，則可以根據文獻[5]等計算出挑坎沿程水深值。

3 差動式挑坎水舌挑距計算探討

(4)式中L為自挑坎末端算起至下游河床面的挑流水舌外緣挑距,m；θ為挑流水舌水面出射角；h1為挑流鼻坎末端法向水深，m；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m，如計算沖刷坑最深點距鼻坎的距離，該值可采用坎頂至沖刷坑最深點高程差；v1為鼻坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎頂處平均流速v的1.1倍計算。

[7] 等對式(4)的差動式挑坎水舌挑距的計算參數作如下假設：

1) 挑坎出口斷面的水深h1取高、低坎出口斷面的平均水深，其坎頂水面流速v1取高、低坎出口斷面平均流速的1.1倍。

2) 挑坎出口斷面高程取高、低坎高程的平均值。

3) 挑坎挑角θ取高、低坎挑角的平均值；根據差動式高、低坎出口斷面的寬度，其平均挑角θ可采用式(5)計算：

(5)

式中θ1，b1為高坎挑角和出口斷面總寬度，高坎兩側斜坡面的投影寬度按高、低坎平分；θ2，b2為低坎挑角和出口斷面總寬度；挑坎平均挑角θ值范圍為：θ2≤θ≤θ1。

文獻[7] 通過眾多水力模型試驗資料分析，得出了上述計算的溢洪道差動式挑坎下游河床沖坑底部挑距與水力模型試驗沖刷坑底部上、下邊緣挑距平均值相近的結論，并建議將計算的下游河床沖坑底部的挑距L值乘以折減系數0.8～0.9(單寬流量q較大者，可取較小值)，作為差動式挑坎下游河床沖坑底部上邊緣的挑距。

4 差動式挑坎下游河床沖深計算

4.1 已有的研究成果

溢洪道連續式挑坎下游河床沖刷深度可采用式(6)進行計算：

T1=Kq0.5Z0.25

(6)

式中T1為沖刷坑深度，由下游水位與沖坑底高程之差計算；q為挑坎出口單寬流量；Z為泄流上、下游水位差；K為下游河床基巖沖刷系數。

文獻[7～8]對差動式挑坎的下游河床沖刷深度計算方法進行了探討，提出的計算公式為：

T2=βKq0.5Z0.25

(7)

(8)

式中T2為差動式挑坎下游河床沖刷深度；β為差動式挑坎沖刷影響系數，β≤1；q為挑坎出口單寬流量；H為挑坎進口斷面總水頭；a為高、低坎的高程差；g為重力加速度；其他參數意義見式(6)。

表1 白盆珠溢流壩運行水力參數和下游河床沖刷特性

2) 參考文獻[10]的溢流壩，其堰頂高程292.0 m，下游反弧段曲率半徑R=10 m，反弧底高程270.9 m，陡坡段和反弧段斷面寬度為34 m，反弧段挑坎體型為：①連續性挑坎挑角25°，出口斷面高程271.84m；②差動式高坎挑角為30°、出口斷面高程272.24 m，低坎挑角為0°、出口斷面高程為270.9 m。溢流壩下游河床基巖面高程約258.0 m，河床基巖抗沖流速v=6～7 m/s。

表2 溢流壩運行水力參數和下游河床沖刷特性

(9)

5 算例

5.1 工程概況

七礤水庫溢洪道堰頂高程78.1 m，堰后接1∶5的陡槽段，陡槽段凈寬為22 m；陡槽段下游出口采用挑流消能。挑坎下游河床面高程約48.0 m，下游河床的基巖為強風化細沙巖、粉沙巖，巖石破碎嚴重，裂隙發育。

經水力模型試驗得到的溢洪道下游差動式挑坎布置方案為[11-12]：挑坎設置3個高坎、4個低坎，反弧段底部斷面高程為59.56 m(樁號0+093.34)。差動式高坎的上游端起始斷面樁號0+093.34、末端斷面樁號0+102.68，其反弧曲率半徑R1=15 m，挑射角θ1=25°，出口斷面高程60.97 m，高坎兩側坡坡度為1∶0.5；低坎的起始斷面樁號0+099.76、末端斷面樁號0+103.74，其反弧曲率半徑R2=22.38 m，挑射角θ2=10°，出口斷面高程為59.9 m(見圖5)。

對溢洪道100年一遇洪水流量(P=1%、Q=700.2 m3/s、庫水位Z=84.98 m、下游河道水位Zd=53.8 m)運行情況的差動式挑坎水力參數和下游河床沖刷狀況進行計算，并與水力模型試驗結果進行對比分析。

圖5 溢洪道挑坎布置示意(單位：m)

5.2 挑坎出口斷面水深計算

以水力模型測試的反弧段底部斷面平均水深h=1.62 m、平均流速v=19.65 m/s[12]，由式(1)～(3)計算出下游差動式高、低挑坎沿程水深值。

1) 差動式高坎挑角θ1=25°，將高坎沿程水深分為3段計算(每段△θ=8.33°)，計算中令式(1)等號左側為A、右側為B，計算過程見表3；計算得高坎下游出口斷面水深為1.69 m。

表3 高坎沿程水深計算過程和結果

2) 差動式低坎的挑角θ2=10°，將低坎沿程水深分為3段計算(其中樁號0+096.34至0+99.76為水平段，反弧段分為2段、每段Δθ=5°)，參照表1的計算過程，由式(1)～(3)計算出低坎下游出口斷面水深為1.65 m。

因此，可計算出高、低挑坎出口斷面平均水深為1.67 m、平均流速為19.06 m/s。

5.3 下游河床沖深計算

5.4 下游沖坑底部挑距計算

由差動式高、低坎出口斷面高程和挑角等，計算差動式挑坎出口斷面平均高程為60.44 m和平均挑角為19.2°，見式(5)。因此，根據差動式挑坎出口斷面水力參數(挑坎末端平均水深h1=1.67 m、鼻坎頂水面流速v1=1.1×19.06=20.97 m/s)和沖坑底部高程(31.27 m)等，由式(4)計算出下游河床沖坑底部挑距L=65.47 m。

參照文獻[7]，將計算的挑距L值乘以折減系數0.86，得出差動式挑坎下游河床沖坑底上邊緣的挑距為56.3 m。本文計算的下游河床沖坑底高程、沖坑底上邊緣挑距等與水力模型試驗成果較吻合(見表4)。

表4 下游河床沖坑底高程及其上邊緣挑距的試驗值與計算值比較

6 結語

本文對溢洪道差動式挑坎水力特性、下游河床沖坑深度和挑射水舌挑距等計算方法進行研究，取得的主要成果有：

2) 在溢洪道反弧段泄流單寬流量和反弧段底部斷面水深(或反弧段進口斷面水深)已知的條件下，可采用反弧段沿程水深計算公式計算出差動式挑坎的高、低坎沿程水面線，再采用差動式挑坎的平均挑角、出口斷面平均高程、挑坎出口斷面平均水深和流速、沖坑底高程等，計算出挑坎下游河床沖坑底部的挑距。

參考文獻：

[1] 華東水利學院.水工設計手冊(第6卷 泄水與過壩建筑物)[M].北京：水利電力出版社，1982．

[2] 雷川華， 田士豪 ，費文才.峽口水電站泄水建筑物體型優化試驗研究[J].中國農村水利水電，2005(2)：109-111．

[3] 張 挺，劉延瓊，劉艷如，等. 高擴散低收縮差動式挑坎不同體型參數水力特性研究[J].水利科技，2010(4)：36-40．

[4] 吳鵬，夏新利，侍克斌.差動式挑流消能挑距分析[J].人民黃河，2010，32(4)：100-101．

[5] 黃智敏，鐘勇明，陳煥新. 溢流壩反弧段水面線簡化計算探討[J].廣東水利水電，2011(9)：1-3．

[6] 溢洪道設計規范：SL 253 — 2000[S].北京：中國水利水電出版社，2000．

[7] 黃智敏，付波，陳卓英，等.溢洪道差動式挑流鼻坎挑距和沖深特性探討[J].水利科技與經濟，2012，18(10)：79-81，85．

[8] 黃智敏，何小惠，鐘勇明，等.樂昌峽水利樞紐工程溢流壩泄洪消能研究[J].長江科學院院報，2011， 28(5)：18-22．

[9] 廣東省水利水電科學研究所.西枝江水利樞紐工程整體模型水工試驗報告[R].廣州：廣東省水利水電科學研究所，1979．

[10] 廣東省水利水電科學研究院.連山壯族瑤族自治縣德建水庫溢流壩水工模型試驗研究報告[R].廣州：廣東省水利水電科學研究院，2013．

[11] 姚錦玉.七礤水庫溢洪道重建工程挑坎設計優化[J]. 廣東水利水電，2013(6)：68-70．

[12] 廣東省水利水電科學研究院.河源市源城區七礤水庫除險加固工程溢洪道水工模型試驗研究報告[R].廣州：廣東省水利水電科學研究院，2008．

(本文責任編輯 馬克俊)

Calculation Discussion and Analysis on Hydraulic Characteristics of Spillway Differential Flip Bucket

HUANG Zhimin，FU Bo，CHEN Zhuoying，ZHONG Yongming

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics，Guangzhou 510635,China)

Differential flip bucket of spillway can increase collision，turbulence，aeration and energy dissipation rate of nappe，thus greatly reduce scour depth of the downstream river bed. At present, the study results of the hydraulic characteristics of differential flip bucket are still less, which is very inconvenient for the engineering design. Based on the summary and analysis of existing literatures and results, and the experimental study of the downstream river bed scour depth of differential flip bucket has been carried out，the hydraulic characteristics and calculation method of water surface profile, nappe distance and scour depth of the river bed of the differential flip bucket are discussed, and the relationship between the influence coefficient of the downstream scour and its body size and the discharge hydraulic parameters is further added. The results are in good agreement with the results of hydraulic model test, which can provide reference for similar engineering design and operation.

spillway； differential flip bucket； water surface profile； flip nappe distance； scour depth

2016-04-29;

2016-08-25

黃智敏(1957)，男，碩士，教授級高級工程師，主要從事水工水力學及河流動力學研究。

TV651.1

A

1008-0112(2016)09-0001-05