大坳攔河閘閘后消力池連接段預警曲線的建立和應用

周孝平

(廣州市流溪河灌區總管理處,廣東 廣州 510900)

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大坳攔河閘閘后消力池連接段預警曲線的建立和應用

周孝平

(廣州市流溪河灌區總管理處,廣東 廣州 510900)

通過對大坳攔河閘閘后消力池連接段穩定分析,建立了預警曲線。分析計算表明,常規上不考慮水躍因素是偏于危險的,考慮水躍是非常必要的。并在實際工程安全管理中得到應用,可為類似工程安全管理提供參考。

揚壓力；水躍；預警曲線；攔河閘壩；滲流

1 工程概況

大坳攔河閘是廣州市流溪河灌區的渠首樞紐工程,始建于1958年8月,工程以灌溉為主,兼顧發電和供水,設計灌溉從化區、花都區和白云區2.76萬hm2農田,有效灌溉面積2.035萬hm2。工程樞紐由攔河閘,左、右干渠進水閘以及閘壩后電站組成,是廣州市重要水利工程。

大坳攔河閘最大過閘流量為2 265 m3/s,工程等別為Ⅱ等,主要建筑物級別2級,次要建筑物級別3級。工程按50年一遇洪水設計,100年一遇洪水校核；下游消能防沖建筑物洪水標準按50年一遇設計。

2006—2009年對攔河閘壩消能設施進行了改建,攔河壩加固剖面如圖1所示。

圖1 大坳攔河壩加固剖面示意

2 連接段預警曲線的建立方法

2.1 連接段的穩定條件

閘室和消力池之間的連接段分為上下兩段,建立連接段穩定的預警曲線。忽略連接段之間的相互作用力以及水的摩擦力,連接段1和連接段2分別受三個力的共同作用：一是底板底的揚壓力,二是底板面的水壓力,三是底板本身的重力,如圖2所示。

圖2 連接段1和2受力分析

連接段1和2的穩定條件為：(1)連接段頂面的水壓力與連接段自重之和大于連接段底板底的揚壓力；(2)將底板面的水壓力、底板自重和底板底的揚壓力分別對同一點取矩,水壓力矩與自重力矩之和大于揚壓力矩。消力池連接段的可能破壞模式：消力池連接段1可能繞A點掀翻,而連接段2可能繞C點掀翻。故建立以下連接段1和連接段2的穩定條件表達式。

1) 連接段1穩定條件表達式：

①G1cosθ+Fwr1>Fwa1

②MG1-A+MFwr1-A>MFwa1-A

2) 連接段2穩定條件表達式：

①G2cosθ+Fwr2>Fwa2

②MG2-C+MFwr2-C>MFwa2-C

式中Gi為單位寬度連接段的重力,i=1,2；G1=502 kN,G2=499 kN；Fwri為單位寬度連接段頂面的水壓力,i=1,2；Fwai為單位寬度連接段底板底的揚壓力,i=1,2；MF-A為力F對A點取矩；MF-C為力F對C點取矩。

故從連接段力的平衡和力矩平衡兩個方面分別建立預警曲線,即揚壓力預警曲線和揚壓力矩預警曲線。連接段不同安全儲備的預警曲線(函數)CF表達式為：

對于力的平衡：

(1)

對于力矩的平衡：

(2)

2.2 連接段頂面水壓力的計算

揚壓力預警曲線和揚壓力矩預警曲線的計算關鍵在于連接段頂面水壓力Fwri的計算。連接段頂面水壓力Fwri與上下游水位和過壩流量相關,其計算可分為以下兩種情況：

1) 連接段內不發生水躍的情況,此時,Fwri可直接按大壩下游的靜水位計算。不發生水躍的情況主要有兩種：

① 過壩流量Q=0。

② 過壩流量大于某一數值,此時下游水位很高,不滿足發生水躍的相關條件。此數值在本項目約為 1 800 m3/s。

2) 連接段內發生水躍。這種情況下Fwri的計算可通過水面線分析進行近似的簡化計算。其中的關鍵在于斜坡水躍計算。當水躍的躍首和躍尾確定后,水面線可以通過下述方法(圖3)確定：

① 躍首F沿上游方向的水面線取急流水面線EF。計算急流水面曲線EF一般可假定E點處為臨界水深,利用標準步長法求解水面線控制方程得到。

② 躍尾G沿下游方向的水面線取緩流水面線GH。計算緩流水面曲線GH,取下游某一位置處水深為邊界條件,利用標準步長法求解水面線控制方程得到。

③FG之間的水面線線插得到。

圖3 發生水躍時連接段頂面水壓力Fwri的計算

在本項目水躍計算中,閘后連接段上的水深均取為臨界水深。假定水面線DEFG滿足緩變流條件,作用在底板面的水壓力可按靜水壓力計算。連接段上水壓力分布確定后,便可求出Fwri。

2.3 躍首和躍尾位置的確定

當發生水躍時,按前節所述方法確定連接段頂面水壓力分布時,需要確定躍首和躍尾位置。躍首與躍尾相差一個躍長的距離。這里的方法是先求躍首,再求躍長,從而得到躍尾。

2.3.1 躍首的定位

由于斜坡水躍需要考慮水躍體重力的作用,其動量控制方程尚無解析解,大部分解均為經驗公式。關于水躍躍首的定位研究也很少,采用美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的河流分析系統(HEC-RAS)所用的方法(以下簡稱為HEC-RAS方法)確定躍首。

HEC-RAS方法確定躍首的主要步驟如下：

① 根據上游某一已知邊界,利用標準步長法求出急流水面線,并求出其比動量曲線Msup。

② 根據下游某一已知邊界,利用標準步長法求出緩流水面線,并求出其比動量曲線Msub。

③Msup=Msub的點即為躍首。

比動量M的定義如下：

2.3.2 躍長的計算

躍首確定后,求躍長Lj以確定躍尾。Lj的計算較多的公式,這里采用金氏經驗公式：

式中 θ為斜坡傾角；N為斜坡水躍形狀系數；當tanθ=0.135,N=2.18；y1為斜坡水躍躍前水深,y2斜坡水躍躍后水深。

y1和y2的共軛水深關系式為：

Γ1=100.027θ

3 連接段臨界預警曲線

由于預警曲線方程(公式1和2)是上、下游水位和過壩流量的函數,其預警函數為三維曲面。但實際上、下游水位和過壩流量并不完全相符,上下游水位與過壩流量均存在相對穩定的關系,預警曲線方程可化為單變量函數進行求解,預警曲面圖簡化為曲線圖。這里選Q作為變量。

本工程中采用最新實測資料復核后的大坳攔河壩水位～流量關系,過壩流量與上、下游水位三者之間的關系見圖4和表 1。

圖4 復核后大坳攔河壩水位～流量關系

表1 復核后大坳攔河壩水位～流量關系

選取表 1中前14種水位繪制預警曲線,后面幾種流量下不會發生水躍。當安全系數取為1時,按力平衡(式(1))和力矩平衡(式(2))繪制的臨界預警曲線如圖5所示。同時為了比較,將不考慮水躍作用的預警曲線也表示出來。從圖中可以看出,相對于靜水位下的抗浮力預警值而言,在考慮發生水躍的情況下,連接段1的抗浮力預警值最多減小185kN,連接段2的抗浮力預警值最多減小170kN；相對于靜水位下的抗浮力矩預警值而言,在考慮發生水躍的情況下,連接段1的抗浮力矩預警值最多減小2 545kN·m,連接段2的抗浮力矩預警值最多減小2 485kN·m。由此可見,在計算消力池連接段的預警曲線時,考慮水躍是非常有必要的。

圖5 連接段臨界預警曲線(安全系數取為1)

選取其中流量Q=770m3/s的工況說明圖5中各數據點的詳細計算步驟如下：

① 計算臨界水深hc和正常水深hn,確定基本的流態。在流量770m3/s時,hc=1.10m,連接段的hn=0.29m(混凝土面的曼寧系數n取為0.013)。

② 確定上、下游邊界水深。上游邊界設在E處,水深取為臨界水深。下游邊界設在下游拋石防沖槽尾端H處,其水深按下游水位計算。

③ 按標準步長法分別計算急流水面線EJK以及緩流水面HGL。

④ 分別計算急、緩比動量線Msup和Msub。

⑤ 定位躍首。求Msup和Msub的交點Im,Im在坡面上的豎直投影線與急流水面的交點即為躍首F。

⑥ 計算躍長,定位躍尾G。

⑦ 確定最終復合水面線EFGH。

⑧ 按水面線EFGH按靜水壓力計算Fwr1,MFwr1-A以及Fwr2,MFwr2-C。

⑨ 結合底板本身的重力,得到此流量抗力和抗矩力。

最終的結果如圖6所示。其它各流量下的計算類似,所有工況的水面線如圖7所示,抗力的計算結果如表 2所示。

圖6 過壩流量Q=770 m3/s時,連接段抗力值的計算

圖7 各工況的水面線

表2 各流量下臨界預警值計算 力：kN; 長度：m; 時間：s(安全系數=1)

4 抗浮力和抗浮力矩預警曲線的應用

將各工況計算的理論揚壓力和理論揚壓力力矩,與各工況相對應的實測揚壓力和實測揚壓力矩匯總于下表3,并將各值作圖于最后得到的抗浮力和抗浮力矩預警曲線圖中,如圖8和圖9所示。

表3 各工況下揚壓力和揚壓力矩匯總

圖8 連接段1和連接段2抗浮力預警曲線校核

圖9 連接段1和連接段2抗浮力矩預警曲線校核

從連接段1和連接段2的抗浮力預警曲線校核圖和抗浮力矩預警曲線校核圖可知,各工況均處于安全狀態,與實際情況相符,預警曲線的計算是合理可用的。

5 結語

通過消力池連接段揚壓力和揚壓力矩預警曲線的建立,可以得出以下兩個結論：

1) 靜水位下的抗浮力和抗浮力矩預警值,比在考慮發生水躍的情況下要大得多。因此,在計算消力池連接段的預警曲線時考慮水躍是非常有必要的,也是偏于安全的。

2) 實際工程管理中,在任何實測揚壓力下,只要將各值作圖于最后得到的抗浮力和抗浮力矩預警曲線圖中,就可以非常容易判定工程的安全狀況。如果該值處于預警曲線的下方,則說明消力池連接段處于安全狀態。如果該值處于預警曲線上或預警曲線上方,則說明消力池連接段可能出現破壞,應進一步開展現場檢查并采取相應措施,避免險情發生。

[1] 曹洪.廣州市流溪河大坳攔河壩滲流分析報告[R].廣州:華南理工大學,2013.[2] 胡海英.廣州市流溪河大坳攔河壩安全鑒定綜合報告[R].廣州:珠江水利科學研究院,2010.

[3] 金峰,梁通.揚壓力問題存在的分歧及最新進展[J].水力發電學報,2009(3):62-68.

[4] 申旋成.閘后消力池斜坡連接段滲流和水躍共同作用的分析和對策[D].廣州:華南理工大學,2014.

[5] 鄭敏.深厚砂基水閘消能防沖設施抗浮分析研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

(本文責任編輯 馬克俊)

Establishment and Application of the Early Warning Curve of Ramp Connecting Sectionof Energy Dissipatoron Daao Gate Dam

ZHOU Xiaoping

(General Management Office of Liuxihe Irrigation District, Guangzhou 510980, China)

Based on the stabilityanalysis of the ramp connecting section of the energy dissipator, aearly warning curve is established for Daao gate dam. The analysis and calculation show that the stabilityanalysis leans to danger when hydraulic jump is not considered.So it is necessary to consider the hydraulic jump.The research findings was used in the engineering safety management which can provide a reference for the similar projects.

uplift pressure；hydraulic jump；early warning curve；gate dam;seepage

2016-01-18;

2016-02-19

周孝平(1976),男,碩士,工程師,從事水閘工程管理工作。

TV653

B

1008-0112(2016)01-0022-05