某泄水閘面流消能試驗研究

某泄水閘面流消能試驗研究

通過物理模型試驗優(yōu)化了泄水閘的體型布置和尺寸,滿足了泄水閘的泄流能力要求,使出閘水流銜接流態(tài)順利形成面流,妥善解決了泄水閘下游消能防沖問題,試驗成果可為類似工程設計提供參考。

物理模型；泄水閘；體型；面流；泄流能力；消能防沖

1 工程概況

本工程位于廣東省乳源縣北部武水干流的中下游河段,是一宗以發(fā)電為主,兼有通航等綜合效益的Ⅰ等大(1)型樞紐工程。工程主要建筑物有泄水閘、左岸船閘、右岸電站廠房以及兩岸接頭土壩等。

工程設計方案泄水閘共設9孔,單孔凈寬14 m,總凈寬126 m；閘底型式為開敞式平底寬頂堰,堰頂高程為60.5 m(珠基,下同),閘室順水流方向長20.5 m；閘室下游采用面流消能形式,不設消力池(見圖1)。

泄水閘設計正常蓄水位68.0 m；設計洪水標準50年一遇(P=2%),設計洪水位70.1 m,泄洪流量4 720 m3/s；校核洪水標準200年一遇(P=0.5%),校核洪水位71.87 m,泄洪流量6 650 m3/s。

圖1 工程布置示意

2 模型設計與制作

2.1模型設計

水工模型按佛勞德相似定律設計為正態(tài),水工斷面模型幾何比尺Lr=43.33；水工整體模型幾何比尺Lr=70。

2.2水閘運行條件

1) 當上游來水流量Q<605.1 m3/s 時,泄洪閘關閉,水庫維持正常蓄水位68.0 m,來水量全部通過水輪機組發(fā)電(電站最大發(fā)電流量為605.1 m3/s)。

2) 當上游來水流量605.1 m3/s≤Q≤1 450 m3/s時,水庫維持正常蓄水位68.0 m,以最大發(fā)電流量605.1 m3/s 發(fā)電,多余水量通過局部開啟泄洪閘下泄。

3) 當上游來水流量Q>1 450 m3/s時,隨著來水流量的增大,為減小上游淹沒,泄洪閘全開,此時來水流量全部經(jīng)泄洪閘下泄,恢復至河道天然泄流狀態(tài)。

4) 當洪水過后,河道天然來水逐步減少至停機流量1 450 m3/s 時,電站逐步關閘回蓄；當來水流量Q≤605.1 m3/s時,泄洪閘全關,恢復至正常蓄水位68.0 m,全部來水流量用于發(fā)電。

3 面流流態(tài)的形成機理

面流消能是利用泄水建筑物末端的跌坎或戽斗,將下泄急流的主流挑至水面,通過主流在表面擴散及底部旋滾和表面旋滾以消除余能的消能方式。面流消能適用于中、低水頭,下游尾水較深,水位變幅不大及河岸穩(wěn)定、抗沖能力強的情況。面流流態(tài)復雜多變,對下游尾水條件要求高,保證能得到純面流的水深范圍較小。面流流態(tài)與鼻坎布置形式、水頭、單寬流量、下游水深及沖淤河床形態(tài)等因素有關。

目前,面流流態(tài)的水力計算已有很多經(jīng)驗公式,但還不夠成熟,一般都要通過水力模型試驗驗證,以選定合適的設計方案。

4 水工斷面模型試驗成果[1]

4.1設計方案試驗

4.1.1方案布置

①泄水閘閘底堰型為平底寬頂堰,共布置9孔閘,每孔凈寬14 m,閘底高程60.5 m,閘室順水流方向的長度為20.5 m,采用面流消能方式；②閘下的地形按照60.0 m高程模擬(見圖2)。

圖2 設計方案泄水閘剖面示意

4.1.2試驗成果與分析

1) 在泄放設計洪水頻率(P=2%)和校核洪水頻率(P=0.5%)運行時,測試的閘上游水位為70.24 m和72.02 m,比設計值分別壅高0.14 m和0.15 m,不能滿足泄流能力的要求。

2) 在正常蓄水位(Z=68.0 m)、水閘閘門開度e=0.25～1.5 m單獨運行時,閘下游難以形成面流流態(tài),當e≥0.5 m閘下游出現(xiàn)底流流態(tài),流態(tài)較差,當閘門開度e=1.5 m時閘末跌坎下游附近區(qū)域底部流速達約4.8 m/s(樁號0+030)(見表1),對工程的安全運行極為不利,應對水閘堰型進行修改和優(yōu)化。

表1 設計方案泄水閘局部開啟運行流態(tài)

4.2 優(yōu)化思路

針對設計方案中存在的問題,試驗擬采用如下優(yōu)化思路：①為了降低全開泄流時的閘上游水位,擬降低堰底高程；②為了減少水閘在較大開度開啟泄流出現(xiàn)回復底流的可能性,擬將寬頂堰堰面下游段修改為曲線堰面；③盡量調(diào)整挑流角度,使出閘水流形成面流流態(tài)。經(jīng)過多個方案試驗的比較和優(yōu)化后,形成了以下推薦方案。

4.3推薦方案試驗

4.3.1方案布置

①在設計方案的基礎上將堰頂高程由60.5 m降低至60.0 m；②在設計方案的基礎上,將反弧段出口挑坎挑角由15°修改為18°,挑坎出口斷面高程為58.804 m(見圖3)。

圖3 推薦方案泄水閘剖面示意

4.3.2 試驗成果與分析

1) 泄放設計洪水頻率(P=2%)和校核洪水頻率(P=0.5%)流量運行時,測試的閘上游水位為70.10 m和71.91 m,設計流量運行時與設計值一致,校核流量運行時比設計值高出4 cm,壅高值在允許的超高范圍內(nèi),基本滿足工程設計的要求。

2) 門開度e=0.25～2.0 m運行時,出閘水流銜接流態(tài)均為淹沒面流,溢流堰跌坎下游垂線流速分布均為上大下小,主流在表面,跌坎下游附近區(qū)域底部形成反向漩滾,漩滾長度在跌坎下游約15 m范圍(樁號0+025～0+035),底部漩滾回流流速約0.6～1.0 m/s；

3) 閘門開度e=2.25 m泄流運行時,出閘流量較大及下游水墊加厚,出閘后形成波狀流流態(tài),跌坎下游附近區(qū)域底部形成反向漩滾不明顯,閘下游河道樁號0+035底流速約1.8 m/s,出閘后水流呈波流狀與下游河道水流銜接(見表2)。

表2 推薦方案泄水閘單獨運行流態(tài)

5 泄水閘水工整體模型試驗與分析[2]

泄水閘下游消能工體型優(yōu)化后,將下游消能工體型放入整體模型中進一步試驗。經(jīng)船閘通航[3]和電站運行優(yōu)化試驗,形成了新的樞紐工程布置(見圖4),在此基礎上進行了推薦方案泄水閘運行試驗。試驗表明：

1) 泄水閘位于彎曲河道內(nèi),閘上游來流流經(jīng)彎曲河道時,主流位于河道中部及左側(cè)區(qū)域,河道右側(cè)區(qū)域流速較小,閘上游來流運行呈現(xiàn)偏流,但進閘水流仍較平穩(wěn)和順暢。在泄放設計洪水頻率(P=2%)和校核洪水頻率(P=0.5%)流量運行時,測試的閘上游水位分別為70.12 m和71.94 m,分別比設計值壅高

圖4 推薦方案樞紐工程布置

0.02 m和0.07 m,各水位壅高值在設計允許的范圍之內(nèi),因此,水閘泄流能力基本可滿足工程設計的要求。

2) 當水閘上游維持68.0 m水位、閘門局部開啟運行時(e=0.25～2.25 m,泄流量Q=238～1 458 m3/s、閘下游水位Z為62.39～65.68 m),來流主流分布于河道左側(cè)及中部區(qū)域,河道右側(cè)流速較小,進閘水流仍較平穩(wěn)和順暢；出閘水流銜接流態(tài)均為淹沒面流,溢流堰跌坎下游垂線流速分布均為上大下小,主流在表面,出閘后水流呈波流狀與下游河道水流銜接；測試的溢流堰跌坎下游面流速較大值約為 2.0 m/s、底流速較大值約為1.04 m/s。

3) 各級洪水頻率流量運行時,閘上游來流較平穩(wěn)和平順。主流分布于河道左側(cè)及中部區(qū)域,河道左側(cè)區(qū)域流速大于河道右側(cè)流速,閘上游來流運行呈現(xiàn)偏流,但進閘水流仍較平穩(wěn)和順暢[4]。在設計洪水頻率(P=2%,Q=4 720 m3/s)和校核洪水頻率(P=0.5%,Q=6 650 m3/s)流量泄流運行時,閘上游前沿區(qū)域(樁號0-035)流速較大值約為3.7～4.3 m/s,閘上游區(qū)域河道右岸的流速較大值約為2.7 m/s,河道左岸的流速較大值約為2.8 m/s。在各級洪水頻率流量泄流運行時,攔河水閘下游河道主流位于河道中部,主流流速V<3.8 m/s,近河道兩岸區(qū)域的流速較小。

6 結(jié)語

通過物理模型試驗優(yōu)化了泄水閘的體型布置和尺寸,滿足了泄水閘的泄流能力要求,使出閘水流銜接流態(tài)形成面流,妥善解決了泄水閘下游消能防沖問題,試驗成果可為類似工程設計提供參考。

1) 水工斷面模型試驗表明：推薦方案將堰頂高程由60.5 m降低至60.0 m、同時堰面體型由寬頂堰修改為曲線堰后,水閘的泄流能力基本可滿足工程設計要求,出閘水流銜接流態(tài)為淹沒面流,出閘水流銜接流態(tài)得到了明顯改善。

2) 水工整體模型試驗表明：①推薦方案泄水閘受彎曲河道影響,右側(cè)兩閘孔的入流流速相對較小,但在設計洪水頻率(P=2%)和校核洪水頻率(P=0.5%)流量泄流運行時,攔河水閘的泄流能力基本可以滿足工程設計的要求。②推薦方案水閘閘門局部開啟泄流時,出閘水流銜接流態(tài)均為淹沒面流,溢流堰跌坎下游垂線流速分布均為上大下小,主流在表面,跌坎下游附近區(qū)域底部形成反向漩滾,底部漩滾回流流速約0.6～1.0 m/s,出閘后水流呈波流狀與下游河道水流銜接；水閘閘門全開泄流時,閘上、下游水流銜接過渡較平順。模型試驗推薦的泄水閘曲線堰體型尺寸可供工程設計參考。

3) 工程加固改造完成和運行之后,應加強攔河閘泄流運行的監(jiān)測,同時密切注意攔河閘下游河道水位的變化,出現(xiàn)問題應及時解決,以確保工程安全運行。

[1] 陳卓英,付波.韶關武水塘頭水電站工程水工斷面模型試驗研究報告[R].廣州：廣東省水利水電科學研究院,2014.

[2] 付波,陳卓英.韶關武水塘頭水電站工程水工整體模型試驗研究報告[R].廣州：廣東省水利水電科學研究院,2014.

[3] 船閘總體設計規(guī)范：JTJ 302—2001[S].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 華東水利學院主編.水工設計手冊(第六卷:泄水與過壩建筑物)[M].北京：水利電力出版社,1985.

(本文責任編輯 馬克俊)

付 波1,樊 銳2,陳卓英1,黃智敏1

(1.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;2.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510610)

Experimental Study on Surface Flow Energy Dissipation of A Release Sluice

FU Bo1，F(xiàn)AN Rui2，CHEN Zhuoying1，HUANG Zhimin1

(1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics Research，Guangzhou 510635，China;2. China Water Resources Pearl River Planning Surveying&Designing Co.，Ltd，Guangzhou 510610，China)

The layout and dimension of the release sluice are optimized by physical model test. The experiment can satisfy the demands of the discharge sluice’s discharge capacity and make the brake flow smoothly form surface flow. The problem of energy dissipation and erosion control can be properly solved in the discharge downstream of sluices. Test results can provide reference for similar engineering design.

physics model；release sluice；layout；surface flow；discharge capacity；energy dissipation and erosion control

2016-10-04;

2016-10-28

付波(1981),男,碩士,高級工程師,主要從事水工水力學試驗研究工作。

TV135.2+2