溢洪道溢流階梯設(shè)計對水力特性影響模型試驗研究

桂冰登

(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330200)

1 概述

溢洪道乃是水工建筑中一種重要泄洪建筑，研究溢洪道運營安全，離不開對溢流階梯的設(shè)計分析[1-2]，獲得溢洪道溢流臺階設(shè)計最優(yōu)方案，有助于推動水工建筑設(shè)計水平及運營能力。王康柱[3]、楊釗等[4]為研究溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計特征，特別是溢洪道寬尾墩、溢流階梯以及摻氣坎等構(gòu)件，采用Fluent等流場仿真方法[5]，對溢洪道沿程斷面的水面線、流速、壓強(qiáng)以及氣相分布等開展了模擬計算，并以方案對比為評價依據(jù)，為工程建設(shè)提供重要依據(jù)。不僅于此，與溢洪道密切相關(guān)的消能池也是研究重點，秦海杰[6]、桂吉順[7]對消能池進(jìn)行三維流場計算，研究消能池內(nèi)流速、水位、流態(tài)以及消能率等重要水力參數(shù)，評價溢洪道的設(shè)計與消能池的消能效果關(guān)聯(lián)性，對溢洪道或消能池的設(shè)計優(yōu)化具有重要啟示意義。當(dāng)然，溢洪道

與消能池工藝參數(shù)設(shè)計研究，不僅可依賴于數(shù)值計算，也可通過水工模型試驗，傅長鋒等[8]、李宗民等[9]通過相似比尺、相似材料等構(gòu)建起與實際工程相匹配的溢洪道或消能池水工模型，根據(jù)開展的水工模型試驗結(jié)果，評價溢洪道或消能池內(nèi)時均壓強(qiáng)、流速、流態(tài)等水力參數(shù)，極大豐富了此類水工建筑設(shè)計參考成果。本文為研究峽江水利樞紐二期規(guī)劃工程溢洪道溢流階梯臺面角設(shè)計參數(shù)，采用水工模型試驗開展了設(shè)計方案的對比分析，為工程建設(shè)提供了評判參考。

2 模型試驗概況

2.1 工程概況

禾水乃是贛江在贛西南地區(qū)重要支流，全長241km，控制流域面積超過9075km2，流域內(nèi)降雨豐富，物產(chǎn)豐盛，乃是井岡山革命老區(qū)重要水源，為地區(qū)生產(chǎn)生活承擔(dān)著農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水、工業(yè)用水以及自然水生態(tài)調(diào)節(jié)的作用。但不可忽視，由于春夏汛期暴雨、臺風(fēng)等自然天氣影響，導(dǎo)致在禾水上常形成警戒水位，特別是2020年春夏之交，禾水超過警戒水位長達(dá)3d，對禾水所在流域內(nèi)生產(chǎn)生活帶來較大影響。一方面有效開發(fā)利用水資源，另一方面防范洪水危害，為此，水利部門考慮在禾水上游、吉安市峽江縣境內(nèi)新建一梯級水利樞紐，并作為原峽江禾水樞紐的二期規(guī)劃，圖1為該水利樞紐規(guī)劃重建后Lumion三維效果圖。該樞紐重建規(guī)劃內(nèi)容包括有攔水主壩、泄洪閘以及泄流建筑等，并計劃完善修建一期農(nóng)業(yè)灌渠，確保水資源充分取之于民、用之于民。峽江二期規(guī)劃水利樞紐新建主壩壩頂高程為258.5m，采用心墻堆筑壩結(jié)構(gòu)形式，曲率半徑為6.4×10-7，彎曲段與直段長度之比為1/4.5，心墻設(shè)計厚度為2.2m，全堆筑壩均為峽江縣境內(nèi)羅霄山脈所產(chǎn)的弱風(fēng)化灰?guī)r碎石與壤土，單層夯實后沉降不超過10mm。主壩所在工程場地已進(jìn)行人工處理，與原有峽江水利樞紐的場地為一致性，地基承載力超過160kPa，基巖以半風(fēng)化灰?guī)r、花崗巖等為主，上覆第四系土層厚度為5.5m，泄洪閘以及泄流建筑所在持力層均與之一致，確保水工建筑承載穩(wěn)定性，特別是泄洪工況下可滿足上游較大水力勢能的靜、動水壓力作用。

圖1 峽江水利樞紐規(guī)劃Lumion效果圖

根據(jù)對峽江水利樞紐承擔(dān)水功能分析，輸水灌渠乃是農(nóng)業(yè)灌溉的前提，規(guī)劃輸水干渠不僅可解決峽江、新干兩縣區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉，且可滿足下游樟樹市工業(yè)用水，為贛江中部流域水資源開發(fā)提供有效模板，規(guī)劃長度為182km，全灌渠為U型襯砌結(jié)構(gòu)，如圖2所示，渠面寬度可達(dá)2.3m，在峽江、新干兩地均設(shè)置有節(jié)制閘，調(diào)控地區(qū)過閘流量。泄洪閘、泄流建筑乃是解決吉安地區(qū)，乃至省會南昌地區(qū)防洪、洪峰過大過長的重要載體，設(shè)計泄洪閘位于主壩左側(cè)，采用多孔泄洪形式，單孔凈寬為2.6×3.6m，配置有平面鋼閘門、檢修閘門等，設(shè)計最大泄流量可達(dá)655m3/s，每孔閘門單獨配備有液壓啟閉機(jī)，設(shè)計可實現(xiàn)智慧化水利的需求。泄流建筑一方面是保護(hù)水利樞紐的關(guān)鍵，而同時也是出現(xiàn)警戒水位泄流的關(guān)鍵，工程設(shè)計部門在二期建設(shè)時重點考慮該水工建筑，特別是其設(shè)計特征與下游消能池防沖降能的關(guān)聯(lián)性，對峽江二期水利樞紐的高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)及運營提供支撐。

圖2 U型襯砌結(jié)構(gòu)

2.2 模型試驗

為確保溢洪道泄流建筑設(shè)計最優(yōu)化，采用室內(nèi)模型試驗方法[7，10]，設(shè)定相似比尺為60，糙率率為1.8，對峽江新水利樞紐工程溢洪道開展水工模型制作，圖3為室內(nèi)溢洪道模型幾何設(shè)計圖。本模型研究對象為溢洪道溢流面上階梯設(shè)計參數(shù)，故溢洪道附屬水工建筑進(jìn)行了簡化，全軸長為105.5m，全模型工程包括了收縮比為0.4的寬尾墩，位于0+36.1m處，在寬尾墩以下部分為過渡段階梯與均勻段溢流階梯面，共有29級，首級臺階尺寸為1×0.75m，溢流面坡度為1/0.75。為確保溢流面上氣相分布，加強(qiáng)水工結(jié)構(gòu)空蝕防護(hù)，在首級臺階前增設(shè)摻氣坎，其挑角為9°，溢流面與消能池間布設(shè)有反弧段，弧度為53.13°，反弧半徑為22m，下游消能池為聯(lián)合消能體的主體，其底板高程為較之溢洪道堰頂降低了5.5%，為35.5m。全模型中試驗水沙均按照實際禾水泥沙制備，中值粒徑為1.8mm，水工模型中包括邊墻、溢流面以及消能池等均采用剛性有機(jī)玻璃制作，如圖4所示為上游進(jìn)水口與下游消能池模型。試驗中泄流工況流量比尺為18000，而溢流面以及消能池內(nèi)流速比尺為7.6，靜、動水壓強(qiáng)比尺按照物理比尺計算得到為60。

圖3 溢洪道模型幾何設(shè)計

圖4 水工模型

試驗中不僅需要考慮模型制作的精確度，也需要考慮泄流水動力配置狀態(tài)，試驗中采用循環(huán)水源，搭配以水泵系統(tǒng)，可實現(xiàn)上、下游泄流水循環(huán)，供水系統(tǒng)分布簡圖如圖5所示。另一方面，試驗中所有數(shù)據(jù)監(jiān)測均按照斷面均勻布設(shè)的原則，在溢洪道以及消能池上均布設(shè)有傳感器，時均壓強(qiáng)布設(shè)斷面如圖6(a)所示，共有20個監(jiān)測點，間隔為0.5m；溢流面上空腔分布反映了氣液二相分布狀態(tài)，對探討溢流臺階設(shè)計影響空蝕防護(hù)有直觀意義，如圖6(b)所示為溢流面上空腔長度Lr計算示意，圖中Ls、Lb分別為側(cè)腔長度與底腔長度；流速監(jiān)測重點設(shè)置在消能池內(nèi)，如圖6(c)為池內(nèi)流速監(jiān)測斷面。所有監(jiān)測傳感器均為實時傳輸，間隔為1s。

圖5 供水系統(tǒng)分布簡圖

圖6 監(jiān)測斷面

本模型試驗中為探討溢流階梯設(shè)計參數(shù)，從模型試驗結(jié)果對比評價設(shè)計和理性，為此在保證反弧段、溢流面、寬尾墩以及消能池挑坎等水工設(shè)計參數(shù)一致的前提下，對首級溢流階梯臺面角開展分析。溢流面均勻段共有8級臺階，每級臺階高、寬尺寸均為一致，而首級階梯臺面角按照上挑與下跌兩個方向，分別設(shè)定有上挑4°、8°、12°以及下跌4°、8°、12°，且設(shè)計有臺面角水平0°對照組，首級階梯臺面角設(shè)置示意如圖7所示。為下文方便，本文將所有臺面角方案統(tǒng)一為下跌(-4°、-8°、-12°)、水平0°以及上挑(4°、8°、12°)共七個方案，基于各方案的模型試驗結(jié)果，評價首級階梯臺面角設(shè)計參數(shù)優(yōu)劣勢。

圖7 首級階梯臺面角示意(θ為臺面角)

3 溢洪道水力特模型試驗結(jié)果

3.1 時均壓強(qiáng)特征

針對溢洪道模型試驗結(jié)果，監(jiān)測獲得了沿程斷面時均壓強(qiáng)分布特征，共有20個斷面壓強(qiáng)變化態(tài)勢，如圖8所示。

圖8 時均壓強(qiáng)特征

從圖中時均壓強(qiáng)特征變化可知，臺面角的上挑、下跌決定了沿程斷面時均壓強(qiáng)變化趨勢：在上挑方案中，斷面壓強(qiáng)呈“平穩(wěn)-遞增-遞減至穩(wěn)定”3階段變化，且臺面角各上挑方案中峰值壓強(qiáng)均位于同一斷面5.5m處，上挑4°、8°、12°下分別為183.1kPa、222.1kPa、241.3kPa；而在臺面角下跌的3方案中，斷面壓強(qiáng)呈“遞增-遞減-二次遞增”的3階段，即各方案中斷面壓強(qiáng)在反弧段與溢流面尾部具有二次增長態(tài)勢，如在下跌4°方案中，其二次遞增斷面平均增幅為1.8%，而在一次增長階段內(nèi)平均增幅達(dá)4.2%。臺面角0°時，其沿程斷面時均壓強(qiáng)特征與上挑方案下一致，但壓強(qiáng)水平卻介于上挑8°與12°間，峰值壓強(qiáng)為201.4kPa，該方案下控制水力勢能效果介于臺面角上挑與下跌之間。分析認(rèn)為，臺面角設(shè)置下跌，在溢流面上易形成二次遞增峰值斷面，對反弧段及尾渠出流穩(wěn)定性控制帶來負(fù)面效果[6，11]，不利于溢流面上水力壓強(qiáng)控制。

從壓強(qiáng)量值水平來看，臺面角下跌的3個方案峰值壓強(qiáng)分別為237.9kPa、277kPa、331kPa，下跌角度愈大，則壓強(qiáng)值愈高，相比之下，臺面角上挑沿程壓強(qiáng)值均低于前者，在上挑12°與下跌12°方案中，沿程壓強(qiáng)差幅分布為19.9%～48%，壓強(qiáng)均值差幅為11.5%。在上挑與下跌方案中，臺面角每增大4°，則可引起沿程壓強(qiáng)均值平均提高25.7%、15.7%。綜合對比，分析認(rèn)為臺面角下跌，溢洪道沿程斷面水力勢能較高，形成時均壓強(qiáng)量值水平亦較高，而臺面角上挑，可使下泄水流與溢流面觸水面積增大，對削弱動水勢能有正面作用，因而監(jiān)測獲得時均壓強(qiáng)量值較低。研討3個臺面角上挑方案可知，上挑4°、8°下壓強(qiáng)水平較為接近，兩者沿程壓強(qiáng)差幅分布最大僅為20.2%，從沿程時均壓強(qiáng)表現(xiàn)來看，此兩上挑臺面角均可視為較優(yōu)秀方案。

3.2 空腔分布特征

根據(jù)模型試驗結(jié)果獲得各方案中溢洪道實測空腔有效長度變化特征，如圖9所示，本文僅以溢洪道上均勻布設(shè)的10個斷面開展分析，斷面間距為1m。由圖中可知，首級臺階臺面角上挑方案下空腔分布長度高于下跌設(shè)計，如在斷面5m處上挑4°方案下空腔長度為35.1cm，而下跌4°、8°、12°方案下空腔長度較之前者分別減少了14.4%、26.7%、34%；在前者上挑4°方案內(nèi)溢洪道沿程斷面平均空腔長度為35.4cm，而在下跌的后3者方案中沿程平均長度較之分別減少了19.6%、30.1%、37.3%；從整體方案中對比來看，當(dāng)首級階梯臺面角從-12°開始遞增，每變化4°，則溢洪道沿程斷面空腔長度可提高10.3%。由此可知，首級階梯臺面角上挑設(shè)計優(yōu)勢高于下跌，有助于提升沿程斷面空腔分布，對水工建筑空蝕防護(hù)有利；其次，首級階梯上挑各方案中空腔長度與臺面角均為正相關(guān)關(guān)系[10，12]。從方案比選合理性來看，在臺面角上挑8°、12°方案間平均增幅僅為2.3%，特別是在溢洪道斷面7～10m上空腔長度分布具有一致性，僅在斷面1～5m上空腔長度才具顯著差異性。因而，臺面角上挑更為合理，但上挑角度控制在合理區(qū)間內(nèi)更為適配，結(jié)合沿程時均壓強(qiáng)的影響特征，上挑8°方案設(shè)計綜合優(yōu)勢較顯著。

圖9 溢洪道空腔長度變化特征

4 消能池模型試驗結(jié)果

進(jìn)一步分析溢流面首級階梯臺面角設(shè)計參數(shù)，獲得了其各方案下消能池內(nèi)流場特征，圖10為池內(nèi)沿程監(jiān)測斷面流速變化特征。

依圖中流速變化可知，臺面角下跌時，流速水平均高于上挑方案，在池內(nèi)斷面4m處下跌8°方案下流速為2.76m/s，而上挑4°、8°、12°方案下流速較之分別減少了41.6%、34.9%、31.7%，而水平0°下流速相比前者也減少了22.2%。從池內(nèi)流速均值可知，其與臺面角為正相關(guān)關(guān)系，在臺階面-12°遞增至12°各方案中，當(dāng)臺面角每遞增4°，則池內(nèi)流速分別平均提高10.3%、16%。在臺面角下跌方案中，其流速具有兩階段增幅特征，在第一階段斷面0.5～4.5m內(nèi)，流速增幅較低，下跌4°～12°方案內(nèi)平均增幅分別為2.3%、3.1%、2.4%，而在第二階段斷面6.5～10m內(nèi)，流速增幅高于第一階段，平均增幅分別達(dá)7.4%、7.6%、7.3%。由此表明，在臺面角下跌方案中，消能池出流段消能效果欠佳，出流仍具有較大動水勢能，削弱了消能池防沖降能作用[13]。在臺面角上挑各方案及水平0°方案內(nèi)，其沿程流速均為“遞增-遞減”變化，在出流口具有最低流速，峰值流速均位于斷面5.5m處，出流段水力勢能控制較佳，有助于提高消能效率。盡管首級階梯臺面角選擇上挑方案已然確定，但上挑何值還處于優(yōu)化狀態(tài)，從消能池內(nèi)流速影響來看，在上挑8°時，流速適中，一方面有助于提升峽江水利樞紐上游排沙效果，也可減少對下游水工建筑的沖蝕作用[14]。因而，基于本文模型試驗結(jié)果，評價認(rèn)為首級階梯臺面角上挑8°設(shè)計優(yōu)勢最大。

圖10 消力池內(nèi)流速特征

5 結(jié)論

(1)獲得了臺面角上挑、下跌方案中，斷面壓強(qiáng)分別呈“平穩(wěn)-遞增-遞減至穩(wěn)定”與“遞增-遞減-二次遞增”變化特征，下跌方案中反弧段壓強(qiáng)具有二次增幅；上挑壓強(qiáng)值低于下跌方案。

(2)臺面角上挑時空腔分布長度高于下跌方案，臺面角從-12°開始每遞增4°，則空腔長度可提高10.3%；上挑方案有利于溢洪道空蝕防護(hù)。

(3)臺面角下跌方案消能池內(nèi)流速均高于上挑方案；下跌方案時池內(nèi)流速具有二次增幅段，且增幅高于一次遞增，上挑方案下池內(nèi)出流段流速控制較佳，消能效果較好。

(4)綜合模型試驗結(jié)果，評價上挑8°方案設(shè)計最為適配。