某水庫工程底孔窄縫方案試驗研究

閆 路 明

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120)

某水庫工程底孔窄縫方案試驗研究

閆 路 明

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120)

受條件限制，某水庫工程底孔只能將水舌挑入主河槽，而該孔口中心線與主河槽交角較大，同時為避免底孔水舌下緣沖擊下游水墊塘二道壩，底孔水舌需越過二道壩。通過相關(guān)方案比選，綜合考慮流態(tài)、挑距、流道無壓段水深以及沖沙水位的設(shè)置等相關(guān)水力學(xué)指標(biāo)，最終提出了只在無壓段左邊墻貼楔形體的解決方案，較好地解決了該工程底孔的泄洪消能問題。

窄縫挑坎；體型參數(shù)；水舌流態(tài)；挑距

1 工程概述

某工程攔河大壩為拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩，壩體基本呈對稱布置，最大壩高為85 m，壩頂寬8 m，壩底厚21.5 m。壩身泄洪系統(tǒng)由4個溢流表孔和1個泄洪沖沙兼放空底孔組成，均采用挑流消能方式。溢流表孔布置于主河床，堰頂與正常蓄水位同高，采用自由溢流方式，不設(shè)閘門；底孔(兼顧放空與沖沙)布置于左岸，進(jìn)口處孔口尺寸為3×4 m(寬×高)，出口為3×3 m(寬×高)，設(shè)弧形工作閘門，最大下泄流量260 m3/s。

工程的主要難點在于：由于底孔末端與水墊塘二道壩距離相對較近，無法將底孔水舌完全挑入水墊塘而不對二道壩造成沖擊，因此，需要將底孔水舌完全挑越過二道壩并且不對下游河道造成過強(qiáng)沖刷；而又要實現(xiàn)水舌的大幅挑射和縱向拉伸，需要在底孔無壓段設(shè)置一定的側(cè)收縮或者斜坡挑坎以實現(xiàn)水流的偏轉(zhuǎn)并越過二道壩，但是這樣做又將增大無壓段水深并對弧形工作閘門牛腿造成部分淹沒。因此需要綜合考慮各個因素，權(quán)衡利弊，找出最優(yōu)的解決方案，工程布置見圖1。

圖1 工程布置圖

2 體型參數(shù)

窄縫同寬尾墩一樣，都是較為新式的消能型式，事實上，當(dāng)前二者的差異已經(jīng)相當(dāng)小，二者之間的界限已經(jīng)較為模糊。實際工程顯示，窄縫的總體效果相對較好[1][2][3]。

窄縫挑坎有異于等寬挑坎，它是憑借過流邊壁的束窄，迫使水流豎向擴(kuò)散和縱向拉伸，同時加劇水體的紊動摻氣，使兩側(cè)水流實現(xiàn)碰撞，提高消能效率并降低水體對于下游的掏刷。由于邊墻的束窄，致使水面壅高，邊墻水深沿程逐漸向上爬升，形成中間低、兩側(cè)高的凹形水面形態(tài)。

試驗?zāi)Ｐ蜑楸瘸?∶50的正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計。試驗設(shè)計了7種方案(為增加出挑水舌下緣挑距計，考慮在將方案1、2、3的底板增設(shè)一定高度的楔形體)，底孔相關(guān)參變量如圖2所示，具體方案設(shè)計見表1。

圖2 底孔參變量示意圖

方案編號L/mh/mB1/mB2/mb/m13.01.00.750.751.5023.01.00.500.502.0033.00.50.750.252.0043.000.7502.2552.000.7502.2562.000.5002.5072.000.2502.75

3 水舌流態(tài)及挑距

由于不同工況下，底孔泄流量差異相對較小，其流態(tài)以及挑距等均沒有明顯的差異，所以試驗均選取正常工況對應(yīng)的水頭(為方便觀察底孔水舌流態(tài)，實驗過程中關(guān)閉表孔，圖片中出現(xiàn)的表孔泄水是由于閘門止水不嚴(yán)密所致)對底孔窄縫體型進(jìn)行試驗。

不同方案下底孔水舌挑射形態(tài)見圖3，從不同體型時底孔水舌流態(tài)可以看出，窄縫的增設(shè)實現(xiàn)了出挑水流的豎向擠壓與縱向拉伸，使得水舌落點面積增大，實現(xiàn)了能量的分散；極大程度地增加了底孔水舌的挑距，使水舌落點遠(yuǎn)離壩身，減小了對于大壩的不利影響。

方案1、2、3由于增設(shè)底部楔形體的緣故，其水舌下緣挑距較遠(yuǎn)，這一方面有利于大壩以及水墊塘的防沖，但是也在一定程度上減弱了窄縫的拉伸效果。

同時，試驗觀測表明，不需底板楔形體底孔水舌拉伸程度更好；方案7出射水舌縱向拉伸不明顯，其落點相對集中，距泄洪消能建筑物也相對較近，而且水舌左緣轉(zhuǎn)向相對微弱，出射水體幾乎完全落在左岸凸起山體，其流態(tài)與完全不設(shè)置窄縫條件下差異較小；方案5側(cè)向收縮速率相對于方案6為快，其水舌下緣極不穩(wěn)定，這對于下游河道的防沖有不利影響。

圖3 底孔出射水舌形態(tài)

4 無壓段沿程水深

底孔有壓段出口設(shè)置一弧形閘門，而其有壓段后接無壓段部分相對較短，故而設(shè)計要求其沿程水深不能過高，以免造成設(shè)計牛腿等方面的難題。所以，底孔無壓段沿程水面曲線是一個需要重點研究的問題。同時，水舌挑距是一個衡量窄縫消能防沖效果的重要指標(biāo)，由于水墊塘設(shè)置尾坎的緣故，底孔水舌下緣需滿足不能沖刷尾坎的條件，實驗過程中也對庫區(qū)水位逐漸下降直至底孔水舌運動至尾坎的庫區(qū)水位進(jìn)行了記錄。

各方案下底孔無壓段沿程水面曲線見圖4，試驗同時測得了挑射水舌近端挑距L1、遠(yuǎn)端挑距L2以及庫區(qū)沖沙水位H(由于底孔兼具沖沙功能，所以需要測定能夠?qū)崿F(xiàn)沖沙的最低水位)，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)見表2。

圖4 底孔無壓段沿程水面曲線

方案L1/mL2/mH/m178.6123.3433.25274.4119.7426.15370.0115.0423.35441.5102.5407.85540.0100.0418.35643.090.5408.35748.081.0399.85

可以看到由于出口窄縫的緣故，方案1、2以及3雖然水舌最遠(yuǎn)挑距均較大，同時水舌落點偏離左岸凸起山體，這些都有利于避免出射水體沖擊到河道左岸凸起山體，但是其無壓段沿程水深均較大幅度地超過了設(shè)計弧形工作閘門牛腿，方案3由于底板設(shè)置有沿程抬升的挑坎的緣故，水面甚至幾乎完全淹沒牛腿；方案4由于取消底板挑坎以及右邊墻收縮的緣故，水面有較大幅度的下降，但是依舊較大幅度地淹沒了部分牛腿；方案5維持出口寬度不變，將收縮段長度由原來的3 m縮減為2 m，使得牛腿淹沒幅度更劇，同時由于收縮比過大的原因，出射水體下緣極不穩(wěn)定，使得庫區(qū)水位在418.35 m時水舌下緣就已經(jīng)運動至尾坎；方案7由于僅在左邊墻收縮了0.25 m，所以沿程水深變幅較小，但是依舊對牛腿有輕微的沖擊，從牛腿體型改動幅度大小方面考慮，可選擇該方案，但是其不足之處是對下游河道沖刷相對較強(qiáng)；方案6水舌縱向拉伸相對較好，落點一定程度上偏離左岸凸體，位于河道中心線附近，雖然底孔無壓段沿程水深一定程度上淹沒了牛腿，但在試驗過程中發(fā)現(xiàn)即使是完全不設(shè)置出口窄縫的情況下，依舊有輕微幅度的沖擊牛腿現(xiàn)象，綜合考慮各項因素，最終采用了方案6。

5 結(jié) 論

針對某工程底孔的泄洪消能問題，綜合考慮流態(tài)、挑距、流道無壓段水深以及沖沙水位的設(shè)置等相關(guān)水力學(xué)指標(biāo)，最終提出了只在無壓段左邊墻貼楔形體的解決方案，較好地解決了該工程底孔的泄洪消能問題，同時得出如下結(jié)論：

(1)通過對不同體型的窄縫方案的研究發(fā)現(xiàn)，窄縫挑坎可以實現(xiàn)水流的豎向擠壓與縱向拉伸，兩側(cè)水流在空中交匯碰撞，增強(qiáng)了水流的能量耗散；其出挑水舌落點分散，能夠?qū)崿F(xiàn)水流能量較為高效的分散，達(dá)到對下游河床與岸坡防沖的目的。

(2)不對稱窄縫將原本對稱設(shè)置的側(cè)收縮結(jié)構(gòu)根據(jù)工程的實際狀況改為兩邊側(cè)墻具有不同收縮寬度的型式，從而同步實現(xiàn)水流的拉伸與轉(zhuǎn)向的目的。試驗觀察以及數(shù)據(jù)表明，不對稱窄縫可以解決論文所述類似水庫底孔水舌繞開下游河道岸邊凸體的問題，并且實現(xiàn)了水流良好歸槽以及分散落點的目的。

(3)常規(guī)窄縫挑坎由于側(cè)壁收縮產(chǎn)生的沖擊波問題，使得流道內(nèi)水深變得較高，從而對挑坎邊墻的高度提出了更高的要求，而且隨著側(cè)墻的增高，挑坎的傾覆危險系數(shù)也隨著升高。

(4)不對稱窄縫可以實現(xiàn)水流的自由轉(zhuǎn)向，保證水舌順利歸槽的目的，但是由于挑坎結(jié)構(gòu)的不對稱，流道內(nèi)水流將產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的偏心作用，從而對挑坎結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定提出了更高的要求。

[1] 高季章，窄縫式消能工的消能特性和體型研究[C].水利水電科學(xué)研究院科學(xué)研究論文集(第13集).北京:水利電力出版社，1983，2；

[2] 肖興斌，王業(yè)紅.高壩挑流消能設(shè)計研究與應(yīng)用現(xiàn)狀評述[J]，長江水利教育，1998年第4期；

[3] 高季章.伊朗壩工建設(shè)中一些值得借鑒的經(jīng)驗和教訓(xùn)[J]，水力發(fā)電，1999年第4期.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2017-02-25

P343.3；TV551.1+3；TV653+.4

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1001-2184(2017)02-0144-03

閆路明(1982-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，河海大學(xué)水文與水資源工程專業(yè)(本科)，工程師，從事水文、規(guī)劃工作.