泄洪閘溢流堰面流挑坎布置研究

黃智敏,陳卓英,朱紅華,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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泄洪閘溢流堰面流挑坎布置研究

黃智敏,陳卓英,朱紅華,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)

低水頭泄洪閘溢流堰挑坎出口挑角和坎高對其下游出流面流流態(tài)影響較大。在兩個泄洪閘工程面流消能試驗成果分析的基礎上,對其溢流堰挑坎挑角和坎高對面流流態(tài)的影響進行了分析。研究表明,若挑坎坎高a較小時,可適當增大挑坎挑角θ值,以增大挑坎面流運行的泄洪流量和下游水深的范圍；低水頭泄洪閘面流消能的溢流堰挑坎挑角一般可采用10°～15°,當挑坎挑角增大至15°時,可較明顯增大挑坎形成面流而不產生回復底流的下游水深的范圍,擴大了面流運行的水深區(qū)間,有利于工程的安全運行。

泄洪閘；面流；挑坎挑角；坎高；試驗研究

1 概述

面流消能是低水頭泄水閘較為常用的一種消能方式,一般適用于河床復蓋層較薄、基巖面較淺、下游水位較穩(wěn)定的河道上。相對于低水頭泄洪閘的底流消能方式而言,面流消能的理論計算方法尚不完善,其體型和水力參數(shù)只有少量的經驗公式可供設計參考,因此,給工程設計和運行管理帶來極大的不便。

在泄洪閘的泄流水力條件(如泄流量、閘址水位～流量關系條件等)確定的條件下,泄洪閘泄流的面流流態(tài)與其挑坎的體型尺寸密切相關。泄洪閘面流挑坎主要體型尺寸有：挑坎的反弧段曲率半徑R、挑坎坎高a、出口斷面挑角θ等(見圖1)。

圖1 面流挑坎尺寸示意

文獻[1]指出,挑坎與其上游堰面連接的反弧半徑R的影響較小。文獻[1-2]指出,要使挑坎形成面流流態(tài),挑坎的坎高必須大于最小坎高an值,并給出了最小坎高an值的計算公式。文獻[3]通過試驗研究指出,在泄洪閘泄流水力條件確定的條件下,增大挑坎的挑角θ比增加挑坎坎高a對泄洪閘下游面流流態(tài)影響更為明顯,當泄洪閘挑坎挑角增大時,其下游從淹沒面流過渡為淹沒底流 (或潛流)的第三區(qū)界相對水深h3/hk(h3見式(3)；hk為相應單寬流量的臨界水深)相應增大,從而擴大了面流運行區(qū)域,有利于泄洪閘的安全運行。

本文通過2個泄洪閘面流消能水力模型試驗研究成果,分析挑坎挑角對其面流流態(tài)的影響,為相關工程設計和運行參考。

2 面流挑坎坎高和挑角的布置

通常,在泄洪閘溢流堰下游挑坎反弧段曲率半徑R、挑坎坎高a確定的條件下,可選擇合適的挑坎挑角θ,使挑坎出流形成穩(wěn)定的面流流態(tài),并盡量擴大面流運行的下游水深區(qū)域。現(xiàn)有關的面流挑坎坎高和挑角的研究成果為：

1) 文獻[4]綜合比較不同的坎高研究成果之后,提出了面流挑坎最小坎高an計算式(見式(1))：

(1)

式中h1為挑坎頂?shù)募绷魇湛s水深；hk為泄流的臨界水深。

2) 文獻[1]指出,挑坎的坎頂一般為水平,有時也可以做成較小的挑流仰角θ,例如取用θ≯25°。設置一定的仰角,有利于面流流態(tài)的形成,發(fā)生面流流態(tài)的下游水深范圍一般隨θ角同增大。

3) 廣東省水利水電科學研究院早期研究成果表明[1],低溢流壩的挑角可取用θ=10°～15°。

4) 面流流態(tài)演變與挑角θ有關。0°<θ≤10°與θ=0°的界限水深值基本相同[2]。

由文獻[1]等,面流各區(qū)界水深的計算公式見式(2)～(4)：

(2)

(3)

(4)

式中h1為發(fā)生自由面流流態(tài)的最小下游水深,即第一區(qū)界水深的上限值；h2為從自由面流或混合面流轉變?yōu)檠蜎]混合面流的最小下游水深,即第二區(qū)界水深的上限值；h3為第三區(qū)界水深,定義為保持淹沒混合面流或淹沒面流流態(tài)、而不形成潛流(或回復底流)的最大下游水深；a為跌坎高度；P為壩高,可取P=H+a-1.5hk,H為閘上游水位到跌坎坎頂?shù)穆洳睢?/p>

綜合上述,泄洪閘溢流堰挑坎坎高a應在滿足最小坎高an條件下,其挑角θ多采用0～15°。由于面流流態(tài)演變與挑坎挑角θ等有關,而挑角θ的變化也會引起坎高a的改變,目前有關面流挑坎體型的理論和經驗計算公式尚不夠完善,因此,對于較重要的泄洪閘工程,其挑坎體型仍需要通過水力模型試驗論證后確定。

通常,采用面流消能的低水頭泄洪閘在其閘上游為正常蓄水位Z、不同閘門開度e泄流運行時,泄洪閘出流呈面流流態(tài)或底流流態(tài)；當閘門全開運行時,閘上、下游水頭差較小,閘下游出流多為波流流態(tài)。本文主要對閘上游為正常蓄水位Z、不同閘門開度e泄流運行的出流流態(tài)進行分析。

3 泄洪閘面流挑坎布置實例及分析

3.1 紅橋水電站泄洪閘

3.1.1 設計初擬方案試驗

該擴容改造工程泄洪閘共8孔,單孔凈寬12 m,閘孔總凈寬96 m；閘上游正常蓄水位為81.0 m。壩址處河床面高程約72.0～75.0 m,河床的弱風化基巖面高程約71.0～72.0 m。

設計初擬方案泄洪閘堰型為平底寬頂堰,堰頂高程74.0 m。泄洪閘泄流采用面流消能,坎高a=1.5 m(見圖2)。試驗表明[5],在閘上游正常蓄水位Z=81.0 m、各級閘門開度(e=0.25～2.0 m)泄流運行時,由于閘下游水深較小,出閘水流呈射流狀匯入下游河道水流中,閘下游形成不穩(wěn)定的底流,主流靠近閘下游河床的底部區(qū)域,水閘跌坎下游附近區(qū)域的河床底流速較大值達約5.4 m/s,對閘下游河床產生不同程度沖刷。

圖2 平底堰方案剖面示意(單位：m)

在閘上游水位Z=81.0 m、閘門開度e>0.25 m泄流運行時,計算的閘下游相對水深ht/hk位于第一區(qū)界相對水深h1/hk(見式(2))之下[6],這表明設計初擬方案閘下游水深過小,水閘泄流在其下游無法形成面流流態(tài),閘下游出流為底流銜接過渡。

3.1.2 修改方案試驗

修改方案將設計初擬方案的閘室平底堰修改為曲線實用堰,在滿足水閘泄流能力的前提下,堰頂高程由74.0 m抬高至75.0 m。實用堰堰頂上游段為橢圓曲線段,下游接圓弧曲線段后(半徑R=13 m、圓心角β=15 °)、再接陡坡段(1∶3.73)和反弧挑坎段；溢流堰反弧段挑坎出口挑角θ=12°、出口高程降低為72.44 m。為了增大溢流堰挑坎下游河道水深和滿足挑坎最小坎高的要求,將閘下游30 m范圍內弱風化基巖的河床面開挖至71.0 m高程,其后與下游河床平順連接(見圖3)。

圖3 紅橋閘溢流堰修改方案剖面示意(單位:m)

試驗表明[5]：①泄洪閘閘門開度e=0.25～1.5 m、單獨運行或與電站機組聯(lián)合運行時,出閘水流均呈面流流態(tài)；②當閘門開度e=2.0 m單獨運行時,出閘水流仍呈面流流態(tài)；而閘門開度e=2.0 m與電站機組(2臺機組,發(fā)電流量155 m3/s)聯(lián)合運行時,閘下游出現(xiàn)回復底流流態(tài),近閘下游區(qū)域底流速達約4 m/s,對閘下游河床仍會產生沖刷。

計算的各級閘門開度e的閘下游第三區(qū)界相對水深h3/hk、閘下游相對水深ht/hk見表1和圖4,ht/hk位于第三區(qū)界相對水深h3/hk之下。在閘門開度e=2.0 m與電站機組聯(lián)合運行時,其下游相對水深ht/hk大于泄洪閘單獨運行(e=2.0 m)的下游相對水深值,相應增大了產生回復底流的可能性；同時,實際坎高(a=1.44 m)比計算的最小坎高(an=1.95 m,e=2.0 m)相應小約26.2%(見表2)。因此,修改方案的泄洪閘(e=2.0 m與電站機組聯(lián)合運行)挑坎出流產生了回復底流。

圖4 紅橋閘修改方案溢流堰水力參數(shù)關系

表1 紅橋泄洪閘修改和推薦方案溢流堰泄流水力參數(shù)

表2 泄洪閘溢流堰挑坎實際坎高a與計算最小坎高an計算

3.1.3 推薦方案試驗

推薦方案將溢流堰挑坎出口挑角θ由12°增大至15°,挑坎出口高程為72.6 m,考慮到為了不增加下游河床弱風化基巖開挖的工程量,下游河床面開挖高程與修改方案相同(見圖5)。溢流堰挑坎挑角θ增大3°之后,其坎高a=1.6 m,比計算的最小坎高(an=1.9 m)仍小約15.8%,其計算的第三區(qū)界相對水深h3/hk比修改方案相應增大約5.4%～8%(見表1～2)。

試驗表明[5],在閘上游正常蓄水位Z=81.0 m、不同閘門開度e單獨運行或與電站機組發(fā)電聯(lián)合運行時,出閘水流主要為混合面流～淹沒面流流態(tài),跌坎下游附近區(qū)域底部形成反向漩滾 (漩滾長度約10～30 m),漩滾回流流速約1.1～2.3 m/s,增大了工程運行的安全性。泄洪閘推薦方案得到了工程設計和施工的采用。

圖5 紅橋閘溢流堰推薦方案剖面示意(單位:m)

3.2 莫湖水電站泄洪閘

3.2.1 設計初擬方案試驗

莫湖水電站壩址處河床復蓋層厚度約3～5 m,底層為強風化和弱風化基巖,地質條件較好,且壩址處河道水位較穩(wěn)定。泄洪閘為7孔,每孔閘凈寬為14 m,閘室泄流總凈寬為98 m,溢流堰頂高程38.0 m；泄洪閘泄洪消能采用面流消能,在閘上游正常蓄水位Z=44.45 m運行條件下,其閘門開度e≤1.6 m(泄洪流量Q≤1 024 m3/s)。

設計初擬方案溢流堰的下游挑坎挑角為10°、出口斷面高程34.38 m,坎高a=1.5 m(見圖6)。水力模型試驗表明[3]：

圖6 莫湖溢流堰設計初擬方案剖面示意(單位:m)

1) 閘門開度e=0.4～1.2 m、泄洪閘單獨運行或與電站機組發(fā)電(電站雙機發(fā)電流量為282.62 m3/s)聯(lián)合運行時,泄洪閘下游出流為自由面流～淹沒面流流態(tài)；

2) 當閘門開度e=1.6 m泄流運行時(閘單獨運行或與電站發(fā)電聯(lián)合運行),泄洪閘出流形成回復底流,挑坎下游河床底流速較大值達約5 m/s,會對閘下游河床產生較嚴重的沖刷。

該方案溢流堰挑坎坎高比計算的最小坎高值(an=2.24 m)相應小約33%(見表2),由計算的泄洪閘泄流水力參數(shù)、閘下游第二和第三區(qū)界相對水深h2/hk和h3/hk、閘下游相對水深ht/hk等可見(見表3)：閘門開度e≥0.8 m、且與電站雙機聯(lián)合運行時,其下游相對水深ht/hk位于第三區(qū)界相對水深h3/hk之上,泄洪閘泄流有可能會產生回復底流,而水力模型試驗顯示在閘門開度e=1.6 m泄流的出流形成回復底流。

圖7 莫湖溢流堰推薦方案剖面示意(單位:m)

表3 莫湖泄洪閘溢流堰設計初擬和推薦方案泄流水力參數(shù)

3.2.2 推薦方案試驗

推薦方案將泄洪閘溢流堰下游挑角θ由10°增大至15°、出口斷面高程為35.03 m,相應挑坎坎高a由1.5 m增加至1.65 m(見圖7),坎高a增大約10%,計算的第三區(qū)界相對水深h3/hk增大約5.8%～7%(見表3)。

水力模型試驗表明[3],在正常蓄水位Z=44.45 m、各級閘門開度e運行條件下(泄洪閘單獨運行及與電站聯(lián)合運行等),泄洪閘下游出流均形成穩(wěn)定的面流流態(tài)。推薦方案的水力模型試驗成果得到了工程設計和施工的采用。

3.3 試驗成果分析

1) 面流流態(tài)演變與挑坎挑角θ和坎高a等有關,當泄洪閘溢流堰下游河床面較高(或下游河床開挖會造成工程投資明顯增加)、挑坎坎高a達不到最小坎高an要求時,可適當增大挑坎的挑角θ值,以增大挑坎面流運行的泄洪流量和下游水深的范圍。

2) 本文兩個工程的挑坎挑角θ分別由12°和10°增大至15°之后,其挑坎坎高a相應增加約10%～11%,計算的第三區(qū)界相對水深h3/hk相應增大了約5%～8%,h3/hk增加相應較小,但泄洪閘在閘門較大開度e泄流或在下游河道水深ht較大泄流時,挑坎出流由回復底流轉變?yōu)槊媪髁鲬B(tài)。這表明挑坎挑角增大至15°之后,可較明顯增大了挑坎面流運行的下游水深的范圍,有利于工程安全運行。

4 結語

1) 低水頭泄洪閘溢流堰挑坎出口挑角θ和坎高a等對其下游出流面流流態(tài)影響較大,若受工程條件的限制、挑坎坎高a達不到最小坎高an要求時,可適當增大挑坎的挑角θ值,以增大挑坎面流運行的泄洪流量和下游水深的范圍。泄洪閘溢流堰挑坎挑角θ一般可選用10°～15°,若將挑角θ增大至15°,可較明顯增大挑坎形成面流而不產生回復底流的下游水深的范圍,有利于工程的安全運行。

2) 低水頭泄洪閘下游出口的面流流態(tài)較復雜,對于較重要的泄洪閘工程,建議通過水力模型試驗優(yōu)化泄洪閘下游出口挑坎體型,以使泄洪閘出流形成穩(wěn)定的面流和確保工程安全運行。

[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] 武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室.水力計算手冊(第二版)[M].北京：中國水利水電出版社,2006．

[3] 黃智敏,朱紅華,陳卓英,等.莫湖水電站泄洪閘低溢流堰面流消能試驗研究[J]. 廣東水利電力職業(yè)技術學院學報,2005,3(3)：38-40.

[4] 王正臬.溢流壩面流式鼻坎銜接流態(tài)的水力計算[C]∥泄水建筑物消能防沖論文集，1980．

[5] 廣東省水利水電科學研究院.紅橋水電站增效擴容改造工程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,2012．

[6] 黃智敏,陳卓英,鐘勇明,等.紅橋水電站擴容改造攔河閘面流消能研究[J].水利水電工程設計,2014,33(2)：47-49．

(本文責任編輯 馬克俊)

Surface Current Bucket Layout of Release Sluice Overflow Weir

HUANG Zhimin，CHEN Zhuoying，ZHU Honghua，ZHONG Yongming

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

The outlet bucket angle and hight of low-head release sluice overflow weir have a great effect on the downstream surface current pattern. Based on the surface current energy dissipation test results of two release sluice，the influence of bucket angle and hight of overflow weir on the surface current pattern is analyzed. The studies have shown that if the bucket high is smaller, the bucket angle can be increased, which increase the range of release flood discharge and downstream water depth of bucket surface current operation. The bucket angle of the low overflow weir generally use 10°～ 15°, when the bucket angle is increased to 15°, the zone of the downstream water depth which forming surface current without return underflow is significantly increasing, and the water depth range of surface current operation is expanding and is good to the engineering running.

release sluice; surface current; bucket angle; water depth; experimental study

2016-03-08

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

TV135.2+2

A

1008-0112(2016)03-0010-05