溢洪道摻氣設施和挑坎體型模型試驗

夏鵬飛

（楊凌職業技術學院，陜西楊凌712100）

溢洪道摻氣設施和挑坎體型模型試驗

夏鵬飛

（楊凌職業技術學院，陜西楊凌712100）

對擬建的LZP水庫溢洪道進行水工模型試驗研究，結果表明原方案中摻氣槽的設計位置不佳，致使水流無法進行充分調整、摻氣保護長度不能被充分利用；原設計挑坎體型欠妥，由于溢洪道出口位置河道狹窄且溢洪道軸線與河道夾角過大，出射水舌對河道右岸有嚴重沖刷現象。針對以上工程問題，提出上移摻氣槽與底板鏤空異形挑坎兩個方案，并分別進行優化試驗，研究結果證明：底板鏤空異形挑坎方案對出射水舌的縱向拉伸效果較好，避開了右岸邊坡且水流流態也更趨穩定；調整后的摻氣槽布置位置合適，空腔形成良好，能夠充分發揮功效。

模型試驗；摻氣坎；挑坎

1 工程概況及研究內容

水庫正常庫容1891萬m3，水庫壩型初定為混凝土面板堆石壩，壩址以上控制流域面積100.8 km2，樞紐建筑物主要由攔河大壩、溢洪道、放空導流隧洞，取水塔，電站壓力引水隧洞及壩后電站等主要建筑物組成，是一座集城鄉供水、農業灌溉等綜合利用功能于一體的中型骨干水利工程。水庫攔河大壩，壩頂長182.2 m，最大壩高77.70 m，壩頂寬度8.00 m；溢洪道布置在大壩左岸壩肩，采用駝峰堰，為開敞式有閘控制正堰溢洪道，由進口引渠段、控制堰段、漸變調整短、泄槽段、挑流鼻坎段組成。控制堰段起始底寬26 m，漸變調整段末寬16 m，漸變段長79 m，后接矩形槽，泄槽段軸線全長176.70 m，底坡i=0.303，在泄槽段樁號為溢0+257.90處布置有摻氣槽，側槽末端接挑流鼻坎，側槽軸線與壩軸線呈67.45°夾角。對應的水庫設計洪水位為428.35 m（P=2%），校核洪水位為430.31 m（P=0.1%），最大下泄流量為864.00 m3/s。

本文研究內容包括：泄槽段體型優化研究，觀測運行工況下，溢洪道泄槽段的水流流態，測量各工況溢洪道的沿程水深變化情況，底板的壓力，流速分布、水位波動；優化溢洪道泄槽段的流道體型，保證水流平順。摻氣減蝕研究，復核設計提出的摻氣設施設計（摻氣槽、通氣孔等）；通過模型試驗擬定合理的摻氣設施的位置、結構形式及尺寸。挑坎研究，測量在各工況下泄水建筑物挑流鼻坎末端水舌的挑射距離、入水角、入水寬度并對挑坎的體型進行優化。

2 模型設計及制作

模型按重力相似準則設計，模型比尺1∶50，為正態模型。各物理量的相似關系如下：長度比尺：λL=50，流速比尺：λV=λL0.5=7.07，流量比尺：λQ=λL2.5=17677.67，時間比尺：λr=λL0.5=7.07，糙率比尺：λn=λL1/6=1.92。模型采用有機玻璃制作，以便觀察水流流態。為了更好地了解溢洪道沿程壓力分布情況，在其上布置了大量測壓管，并采用鋼尺測量兩者沿程壓力及溢洪道堰面,泄槽段等處水深。制作完成后，進行了全面系統的檢查，模型中地形的高程誤差控制在±3 mm以內，平面誤差控制在±5 mm以內。建筑物的高程誤差控制在±0.5 mm以內，保證模型和原型的幾何相似性，確保試驗的精度。

3 試驗結果及分析

3.1 泄流能力

本次試驗分別實測了各種庫水位下側槽溢洪道全開時的泄流能力。側槽溢洪道采用駝峰堰，堰寬度為26.00 m，溢流凈寬21.00 m,堰頂高程422.00 m。

表孔下泄流量按堰流公式計算，公式為：

式中：m為綜合流量系數；n為閘孔數，n=3；b為閘孔寬度，b=7 m；H為溢流壩堰頂（422.00 m）以上的水頭。

取試驗實測數據，以庫水位為橫坐標，流量系數與流量為縱坐標，點繪成圖，并進行公式擬合。如圖1和圖2所示：原設計的校核工況下泄流量為864.00 m3/s。試驗結果為在校核水位時的流量為959.30 m3/s，比設計值大95.30 m3/s(11.02%)，所以泄流能力滿足設計要求，并且還有一定的超泄能力。

3.2 水面線與壓強

本試驗對溢洪道的設計體型，進行了兩種工況的初步試驗，即校核工況、設計工況。去除位于坎、槽下方的測點（由于摻氣槽和挑流鼻坎的影響而引起了局部水面線的增加），結合圖3可看出沿程水深逐漸降低，為降水曲線，這是流量一定，流速沿程增加所造成的必然結果。溢洪道沿程的壓強分布如圖4所示，在堰面曲線段布置了7個測壓點。考慮到溢洪道底坡不變時，沿程壓力幾乎相等，故溢洪道泄槽直線段壓力測點相對較少，以斜距10.5 m為間隔。測點17、18因為位于空腔范圍內，所以沒有壓強讀數。測點6、測點7、測點17及18處均出現負壓，最大負壓出現在設計工況下的測點6（樁號：溢0+135.20），壓力值約為-2.35×9.8 kPa，根據水深測量結果，此處設計工況下的水深約為3.70 m，水流速度約為7.91 m/s，根據壓力和流速可算得此時的水流空化數約為4.221，遠遠大于工程要求的0.3，因此此處輕微的負壓不會造成空化破壞。

圖1 水位與流量系數關系曲線

圖3 校核工況溢洪道水面線

圖4 校核工況溢洪道壓強

3.3 空腔特性

空腔特性是影響摻氣效果的重要因素之一，空腔長度影響著摻氣量及摻氣設施的有效保護范圍[1]，空腔長度越長，摻氣越充分，減蝕效果越好，因此空腔的長短是衡量各種方案優劣的重要指標。設計體型中摻氣槽的布置位置過于向下，使水流沒有經過充分調整就進入出口挑坎，流態較差，摻氣槽所提供的摻氣保護長度沒有充分利用，故模型試驗中采取原設計的摻氣槽尺寸不變，將其向上移動30 m，即在樁號為溢0+227.9處。通過試驗發現：調整后的摻氣槽布置位置比較適合，空腔形成良好，設計水位時空腔長度達到23 m、空腔高度為1 m且空腔內無明顯積水，能夠充分發揮功效，水流流態比較理想，實測數據如表1所示。

表1 實測空腔特性

3.4 挑流特性及入水寬度

溢洪道是水利水電工程主要的泄水建筑物之一，與其聯合應用的挑流消能工也多種多樣，如連續挑坎、斜切挑坎、窄縫挑坎等[2]。本工程原設計溢洪道末端挑坎體型欠佳，由于下游河道較窄，水舌的擴散程度受到了一定的限制，在設計工況和校核工況下，自該挑坎出射的水舌直接沖刷右岸邊坡，樞紐的消能防沖成為該工程關鍵性控制技術難題，需進一步優化。設計挑坎兩種工況下挑射水舌入水寬度均在30 m左右，如表2所示，對右岸邊坡有嚴重的沖刷情況。為了避免溢洪道水舌沖刷下游河道右岸，使水舌盡可能沿河道縱向充分拉伸且落入下游河道中心，從而有利于消能和保護岸坡穩定，經過試驗優化采用了燕尾型挑坎。

表2 反弧挑坎實測挑流特性

表3 燕尾挑坎實測挑流特性

針對原設計體型的仍然有沖刷邊坡的現象，故在優化設計中對挑坎體型進行優化，將挑坎更改為燕尾型挑坎，該挑坎是在反弧底板上有規律的鏤空后形成的一種新式挑坎，以其自身的體型特征在側墻不收縮也不擴寬的條件下，亦能夠形成典型的窄縫水舌，大大緩解了挑坎側墻所承受的壓力[3]，鑒于該工程的情況，將右燕尾的末端寬度加大至6 m，左燕尾的末端寬度設置為5 m。使得經挑坎右邊墻出射的水流盡可能向左岸方向挑射以便保護右岸岸坡，通過本次試驗發現，原體型校核與設計工況下出現的挑射水流沖刷岸坡的現象在優化體型中得到了明顯好轉，挑射水流流態也更趨穩定。水舌入水寬度僅為13 m左右，較之原設計反弧型挑坎入水寬度減少近50%，實測挑流特性見表3。從燕尾挑坎末端位置挑射出的水流，在燕尾型挑坎的約束條件下，水舌由于拋射點不等但卻連續分布使得水舌在空中相互拉伸形成一層連續較薄的簾狀水面撲入下游河道，擴大了入水寬度，一定程度降低了對下游河床的沖擊，有利于下游流態的穩定。

圖5 反弧挑坎設計尺寸及運行流態

圖6 燕尾型挑坎設計尺寸及運行流態

4 結論

溢洪道的設計尺寸滿足要求，進水口段水面平緩，溢洪道段身流態良好，泄流能力滿足設計要求，驗證了駝峰堰可提高流量系數，進而提高閘的泄流能力。

優化了原摻氣槽設計位置，調整后的摻氣槽尺寸合適，空腔形成良好，能夠充分發揮功效，水流流態比較理想。

優化后的底部鏤空異形挑坎，以其自身的體型特征在側墻不收縮也不擴寬的條件下，亦能夠形成典型的窄縫水舌，出射水舌縱向充分拉伸并向左岸方向挑射，入水寬度明顯收窄，順利避開右岸且挑射水流流態更趨穩定。

[1]楊永森.跌坎型摻氣槽過流的摻氣特性[J].水利學報，1994年第2期：65-70.

[2]張毅馳，彭勇.窄河道大交角泄洪洞出口體型優化試驗研究[J].吉林水利，2008.4.

[3]夏鵬飛.燕尾挑坎溢洪道三維數值模擬研究[J].中國農村水利水電，2015年第6期：124-128.

Spillway aeration facilities and bucket body model test

Xia Pengfei
（YanglingVocational and Technical College Yangling712100,Shaanxi）

For the proposed LZP reservoir spillway hydraulic model tests,the results show the design position of the aeration tank in the original scheme is not good,resulting in water flowing not be fully adjusted,gas protection length not be fully utilized.The original design bucket type is defective,because of the river at the spillway outlet position is narrow and the angle between the axis of the spillway and the river is big.A jet is of serious scouring phenomenon on the right side of the river channel.In viewof the above engineering problems,the paper puts forward the two schemes of uplifting the aerated tank and the bottom platehollow-shaped ridge,and the optimization experiments are carried out respectively.The results show that the bottom plate scheme is better for the longitudinal tensile effect of the water jet and avoids the right bank slope and the water flowing state is more stable.After adjusting,the position of the air chamber is suitable,the cavity is formed well,and can be put intofullplay.

the model test,the aerator and flip bucket

TV651.1

B

1673-9000（2017）04-0103-03

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夏鵬飛（1987-），男，陜西興平人，碩士，主要研究方向：水工水力學