窄縫式挑坎下游河床沖刷特性研究

黃智敏

(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)

窄縫式挑坎下游河床沖刷特性研究

黃智敏

(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)

溢洪道下游出口設置了窄縫式挑坎之后,增大了其挑射水流的消能率,可明顯減輕對下游河床的沖刷。在簡要地分析溢洪道窄縫式挑坎體型布置的基礎上,根據溢洪道窄縫式挑坎下游河床沖刷的水力模型試驗資料,提出了其下游河床沖刷深度的計算式,并給出了相應的算例。本文成果可供類似工程設計和運行參考。

溢洪道；窄縫式挑坎；沖刷深度；模型試驗；計算

1 概述

窄縫式挑坎是借助于溢洪道陡坡段或其下游挑流鼻坎段兩側邊墻的收縮,在挑坎下游出口處形成“狹槽式”的窄縫,以增大窄縫出口挑射水流在下游河床的拉開、擴散、碰撞、摻氣和消能等,可明顯減輕挑射水流對下游河床的沖刷 (見圖1)。

圖1 溢流壩窄縫式挑坎泄流示意

據有關文獻的介紹[1],在20世紀50年代起,國外開始采用了窄縫式挑坎新型消能工。如葡萄牙的卡勃利爾(Cabril) 拱壩首次采用了窄縫式挑坎消能工；隨后,西班牙阿爾門德拉(Almendra)拱壩、貝萊薩爾(Belesar) 雙曲拱壩等陸續采用了窄縫式挑坎消能工。在20世紀80年代初以來,國內水利界對窄縫式挑坎消能工進行了較深入和系統地研究,并在多個水利工程中得到了應用。廣東省的河源市老爐下水庫溢流壩和陽春市張公龍水庫溢流壩等先后采用了窄縫式挑坎消能工[2-3],其中張公龍水庫溢流壩窄縫式挑坎已建成投入了運行。

本文在簡要地介紹窄縫式挑坎體型布置的基礎上,對其下游河床沖刷特性的水力模型試驗成果進行分析,供工程設計和運行參考。

2 窄縫式挑坎主要體型尺寸

常見的直線收縮邊墻的窄縫式挑坎的基本結構見圖2,其主要的體型參數有：

1) 收縮比B/b：B為窄縫收縮段進口斷面寬度,b為收縮段挑坎出口斷面寬度。

3) 窄縫式挑坎出口挑角ω。

4) 窄縫式挑坎出口斷面形式：其可以采用矩形、梯形、不對稱異形等形式斷面,各種形式出口斷面的優缺點和適用條件等可參見有關的文獻[1,4-6]。

圖2 直線收縮邊墻的窄縫式挑坎平面示意

3 窄縫式挑坎下游河床沖刷特性

溢洪道下游挑流鼻坎采用窄縫式挑坎的目的是減輕其挑射水流對下游河床的沖刷,確保工程的安全運行。現有的研究成果表明[1-2,7-10],溢洪道窄縫式挑坎的下游河床沖刷深度比常規等寬挑坎的下游河床沖刷深度減少約20%～40%,且由于窄縫式挑坎下游形成橫向寬度小、縱向長度長的挑射水舌,因此,窄縫式挑坎特別適用于高水頭、狹谷河段水利樞紐的泄水建筑物。本文介紹筆者開展的1∶40的窄縫式挑坎和廣東省河源市老爐下水庫溢流壩窄縫式挑坎等下游河床沖刷的水力模型試驗成果。

3.11∶40水力模型試驗成果

3.1.1水力模型試驗簡介

水力模型為1∶40的正態模型。溢洪道堰頂高程設為100.0 m,下游反弧段末端底部高程為60.0 m,窄縫式挑坎設置在反弧段末端底部的下游,為平底(i=0) 、出口挑角ω=0的窄縫式挑坎(見圖3) 。

圖3 水力模型溢洪道布置剖面示意(單位：m)

溢洪道陡坡段寬度B=8 m,下游河床寬度為20 m,窄縫式挑坎的收縮比B/b=2.5～8。溢洪道陡坡段泄流單寬流量q=25.3～75.9 m3/(s·m),相應堰頂水頭H1=5.84～11.88 m(見表1)。

以沈陽主城區不同空間布局的448個小區的房價進行回歸分析。首先，進行了經典線性回歸模型（OLS)的估算，計算OLS結果如表1所示。

表1 泄流單寬流量q～堰頂水頭H1關系

3.1.2 下游河床沖刷特性

文獻[11]經過大量的水力模型試驗研究表明,影響溢洪道窄縫式挑坎下游河床沖刷深度的主要因素是其收縮比B/b、泄流水力參數(如泄流單寬流量q,上、下游水位差Z)等。

圖4是一組不同收縮比B/b(B/b=2.5、4、8)的直線收縮邊墻窄縫式挑坎(平底i=0、出口挑角ω=0)、等寬挑坎(B/b=1、出口挑角ω=30°) 水力模型試驗的下游河床沖刷深度對比圖[11]。試驗表明：在相同的泄流水力條件下,選取適當的收縮比B/b值的窄縫式挑坎,可大大減輕其挑射水流對下游河床的沖刷深度；收縮比B/b=2.5時,其下游河床沖刷深度與等寬挑坎(B/b=1、ω=30°) 的下游河床沖刷深度相近,但挑距減小,對工程的安全運行不利；當收縮比增大至B/b=4時,其下游河床最大沖刷深度約為等寬挑坎的約82%；收縮比B/b=8時,下游河床最大沖刷深度約為等寬挑坎的約61%。因此,選取適當收縮比B/b的窄縫式挑坎對減輕下游河床沖刷深度的效果是較顯著的。

圖4 溢洪道挑坎下游河床剖刷剖面示意

3.2 老爐下水庫溢流壩窄縫式挑坎

老爐下水庫重力壩最大壩高為63 m,其溢流壩溢流堰頂高程152.7 m,溢流陡坡段坡度i=1∶0.7,等寬陡坡段寬度B=11.5 m,陡坡段下游接曲率半徑R=15 m的反弧段,反弧段末端底部高程為106.0 m。經水力模型試驗論證后,在溢流陡坡段和反弧段設置對稱的二次收縮的窄縫式挑坎,其收縮角度分別為5.74°和13.65°,挑坎出口斷面為梯形斷面：底部寬0.8 m(高程106.0 m) ,頂部寬1.7 m(高程110.0 m)[2]。

在設計洪水頻率(P=2%)和校核洪水頻率(P=0.2%)條件下,水力模型測試的溢流壩下游河床沖刷特性見表2。根據該工程下游河床基巖特性,取其下游河床基巖沖刷系數K=1.05,由式(1) 計算的等寬挑坎下游河床沖刷深度T2列入表2。由表2可見,溢流壩下游挑坎采用窄縫式挑坎之后,其下游河床沖刷深度只有等寬挑坎下游河床相應沖刷深度的72%～73%,且挑坎下游形成窄而高的扇形狀挑射水舌,對溢流壩下游狹谷河段兩岸山體穩定十分有利[2]。

表2 老爐下水庫溢流壩窄縫式挑坎與等寬挑坎下游河床沖刷深度比較

4 溢洪道下游河床沖刷深度計算

4.1等寬挑坎下游河床沖深計算

常規的溢洪道下游河床沖刷深度可采用式(1)進行計算[12]：

T=Kq0.5Z0.25

(1)

式中T為下游河床沖刷坑深度,m,由下游河道水位與沖坑底高程之差計算；q為挑坎出口單寬流量,m3/(s·m)；Z為泄流上、下游水位差,m；K為下游河床基巖沖刷系數。

4.2窄縫式挑坎下游沖深計算

現階段的窄縫式挑坎下游河床沖刷深度計算主要是通過水力模型試驗資料的總結和分析,得出相應的經驗或半經驗計算公式。本文介紹兩個計算公式,供工程設計和運行參考。

1) 文獻[11] 對水力模型試驗資料的分析和計算,得到平底(i=0)、挑坎挑角ω=0的窄縫式挑坎下游河床沖刷深度的計算公式為：

(2)

2) 根據量綱分析方法及水力模型試驗,得到窄縫式挑坎下游河床沖刷深度的估算公式為[7]：

(3-1)

(3-2)

(3-3)

式中的符號意義見式(1)～(2)。

式(3-2)和(3-3)適用范圍為：2≤B/b≤3.333；Fr1=5.5～10.1。

5 算例

一溢洪道堰頂高程為100.0 m,其窄縫式挑坎為平底挑坎、高程為60.0 m,收縮段進口斷面寬度B=8 m、出口斷面寬度有兩種：①b=2 m,②b=1.48 m；溢洪道泄流水力條件為：庫水位109.08 m,下游河道水位50.8 m,泄洪流量Q=404.8 m3/s；下游河床基巖沖刷系數K=0.9。分別計算其等寬挑坎和窄縫式挑坎的下游河床沖刷深度。

由式(1)～(3) 計算的挑坎下游河床沖刷深度見表3。計算結果表明：

1) 溢洪道窄縫式挑坎下游河床沖刷深度比常規等寬挑坎沖刷深度要小,并隨收縮比B/b的增大,下游河床沖刷深度T相應減小,因此,可通過選擇適合的窄縫挑坎收縮比B/b值,以達到減輕下游河床沖刷、確保工程安全運行的目的。

2) 由于影響溢洪道窄縫式挑坎下游河床沖刷深度的因素較復雜,且現有的各家公式試驗條件和適用范圍各有差異,其計算結果有一定的差別。因此,對較重要和較復雜工程的窄縫式挑坎下游河床沖刷深度的計算,建議通過水力模型試驗進一步確認。

表3 溢洪道等寬挑坎和窄縫式挑坎下游河床沖刷深度T比較

6 結語

1) 根據水力模型試驗成果,對溢洪道窄縫式挑坎下游河床沖刷特性進行分析,溢洪道窄縫式挑坎下游河床沖刷深度比常規等寬挑坎沖刷深度要小,并隨窄縫式挑坎收縮比B/b的增大而相應減小。因此,可通過選擇適合的窄縫挑坎收縮比B/b值,以達到減輕下游河床沖刷、確保工程安全運行的目的。

2) 由于影響溢洪道窄縫式挑坎下游河床沖刷深度的因素較復雜,對較重要和較復雜工程的窄縫式挑坎下游河床沖刷深度的計算,建議通過水力模型試驗進一步確認。

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[12] 溢洪道設計規范：SL 253—2000[S]．

(本文責任編輯 馬克俊)

Experimental Study on Scouring Characteristics of Downstream
Riverbed of Slit-type Bucket

HUANG Zhimin

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

After the slit-type bucket is installed at the downstream outlet of the spillway, the energy dissipation rate of the jets is increased ，and the erosion of the downstream riverbed can be obviously reduced. Based on the brief analysis of body layout of the slit-type bucket, and according to the hydraulic model test data of downstream riverbed scouring of slit-type bucket in spillway, the calculation formula of scour depth of downstream riverbed is put forward, and the corresponding calculation example. The results of this paper can be used for similar engineering design and operation reference.

spillway；slit-type bucket；depth of erosion； model test；calculation

2016-10-10;

2016-10-27

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。

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