斜降收縮型導流體在水庫泄流雙通道中的應用

許思平,李大亮,袁翠平,詹靖東

(1.宣城市郎溪縣水務局,安徽 宣城 242000;2.南京市水利規劃設計院股份有限公司,南京 210012;3.揚州大學,江蘇 揚州 225000)

0 引 言

文章研究的小型水庫,因工程布置和調度運用的需要,設溢流堰和溢洪閘泄流雙通道。為保證設計、運行安全,進一步掌握分建的溢洪閘和溢流堰水流流態,優化設計,本項目對水庫的泄流雙通道進行模型試驗,確定流態,提出優化措施,泄流雙通道的設計、運行積累了經驗。

1 工程概況

1.1 水庫概況

文章所研究的水庫是一座以防洪、供水為主,兼顧灌溉、水生態的綜合利用工程。大壩主、副壩均為均質土壩,主壩全長1589m,南側副壩長750m,北側副壩長1251m,壩頂高程為18.40m(黃海高程,下同)。水庫死水位10.9m,死庫容52.83萬m3,汛限水位14.00m,興利水位15.50m,興利庫容593萬m3,采用50a一遇洪水設計,設計洪水位16.17m,300a一遇洪水校核,校核洪水位17.10m,總庫容929萬m3,屬小(1)型水庫。

1.2 泄流雙通道概況

根據初步設計報告,為滿足運行管理需要,水庫泄流建筑物采用泄洪閘、溢流堰泄流雙通道。其中,溢洪閘閘底板高程 10.5m,閘門總凈寬 33m,溢流堰頂高程與汛限水位相等,即 14.0m,堰頂寬30m[1]。

經方案比選,溢洪閘和溢流堰分開布置。此方案雖占地稍大,但泄洪閘軸線順直,水流流態較好。溢流堰軸線雖在海漫后轉彎,但溢流堰流量較小,對水流流態影響較小,且分開布置便于管理區建設,方便后期管理,利于管理區景觀提升。泄洪閘和溢流堰泄流雙通道布置見圖1。

圖1 泄洪閘和溢流堰泄流雙通道平面布置圖

2 泄流雙通道流態模型試驗

2.1 模型建立

為進一步研究雙通道泄流的流態,對水庫的溢流堰和泄洪閘的布置進行水工模型試驗。根據試驗結果,提出優化措施,滿足工程安全運行需要。

模型模擬范圍為雙通道上游水流入口段,溢流堰、泄洪閘、泄洪通道、下游部分排水河道邊界為模型邊界,高程為水庫最高水位至下游排水河道最低水位,試驗中根據情況適當調整試驗范圍。具體范圍見圖1。

2.2 試驗工況的選取

模型工況的選擇主要從過閘流量、下游水位及結合調度運行工況來選擇。根據水庫調洪驗算,選取最不利工況即泄洪閘流量最大的工況,并選擇該工況上下臨近時段作為其他試驗工況。同時考慮管理運行需要(小于5a一遇洪水僅溢流堰溢流),僅溢流堰溢流時,最大流量 106 m3/s,對應下游河道水位 7.25m。因此,本次模型試驗選擇以下4種工況,見表1。

表1 試驗工況表

2.3 試驗方法概述

試驗中庫水位通過三向疊梁式溢水箱控制,通過控制泄洪閘閘門和下游尾水閥的開度控制下泄流量和下游水位。在上下游達到穩定時,記錄下各個閘門的開度以及電磁流量計的流量以此來進行流量校核。

雙通道泄流流態通過 DPIV 和示蹤液進行各工況流態采集。面層撒布示蹤粒子,然后由 DPIV采集其運動軌跡,通過軟件分析,得到對應部位面層流場矢量圖和云圖等,底部流場通過化學示蹤液的流動軌跡展示。

流量通過電磁流量計計量。水位通過智能水位儀測量,同時通過刻度貼紙對照驗證。流速通過流速儀測定分析。

試驗時,啟動供水泵,通過進水箱內的疊梁式水位調節板,使上下游河道水位達到試驗工況對應水位,待水流穩定后,通過 DPIV、示蹤液等采集相關試驗數據,并進行初步分析,每個工況相應數據采集 2 次以上,以驗證數據的穩定一致,確保數據可信度。后期數據處理過程中有疑問的數據,均進行二次試驗,重新采集數據分析。

2.4 各工況流態試驗結果

1)工況1:庫水位 14.3m,下游河道水位 8.24m,流量 158m3/s。

2)工況2:庫水位 15.13m,下游河道水位 10.21m,流量 559m3/s。

3)工況3:況庫水位 16.29m,下游河道水位 12.55m,流量 574m3/s。

4)工況4:庫水位 15.74m,下游河道水位 7.25m,流量 106m3/s。

經模型試驗驗證,在工況1～3下,溢流堰下游水流流速均較緩,泄洪閘下游水流流速較快,僅因為流量不同,同一位置流速大小有區別;同時,在下游溢流堰與泄洪閘匯合處均形成了較大范圍的偏流漩渦,影響兩泄洪通道的泄流順暢;因此需要采取措施,進一步的整流,使得水流順暢,消除下游的偏流漩渦。在工況4下,在僅有溢流堰下泄的工況下,自上而下,水流順暢,流速較緩,水流流態較好。

2.5 本節試驗總結

通過上述4個原設計工況的試驗,得到以下結論:

1)雙通道泄流時,因泄洪閘下泄水流流速較大,溢流堰下泄水流流速較小,泄洪閘下泄的水流會對溢流堰下泄水流產生影響。

2)雙通道泄流時,在泄流的交匯處存在偏流漩渦,下游低水位時漩渦區較大,下游高水位時漩渦區較小。

3)溢流堰單獨泄流時,下泄水流流態順暢。

4)在泄流的交匯處需要進行整流優化。

3 整流措施

3.1 整流措施的選擇

通過模型試驗,分別選取在溢流堰和泄洪閘泄流交匯處設置導流墻、整流柱和斜降收縮型導流體,觀察這三種措施下的水流流態。經現場觀察,設置整流柱方案基本對流態改善無明顯效果,導流墻和斜降收縮型導流體均可改善溢流堰及泄洪閘交匯處及下游的流態,但斜降收縮型導流體改善效果更明顯。因此,最終采取在溢流堰和泄洪閘交匯處設計斜降收縮型導流體的整流方案。

3.2 導流體位置選擇

1)位置確定方法:通過在模型上畫出網格,將斜降收縮型導流體擺在不同的位置上測出斷面的流速均勻度,確定斜降收縮型導流體的最佳位置,具體見圖2～5。

圖2 導流體位置1

圖3 導流體位置2

圖4 導流體位置3

圖5 導流體位置4

2)試驗方法:為了優選導流體的位置,采用流速均勻度作為評判指標進行評判,流速的測試斷面(見圖6)所示位置。試驗中在匯流位置下游選取測試斷面,在其上布置了七條測線,測量每條測線的 0.6 倍水深處軸向流速(近似認為 0.6 倍水深處流速為該測線平均軸向流速)。

圖6 流速測試斷面位置及測線位置

3)試驗結果:導流體不同位置時,各測點的流速均勻度見表2。

表2 不同位置導流體下的各測點流速均勻度

根據表2流速均勻度的計算,可以看出導流體處于位置3時,流速均勻度相對較好。

3.3 設置導流體后各工況流態試驗結果

試驗工況和試驗方法同2.2節和2.3節,具體結果如下:

工況1:庫水位 14.3m,下游河道水位 8.24m,流量 158m3/s。

工況2:庫水位 15.13m,下游河道水位 10.21m,流量 559m3/s。

工況3:庫水位16.29m,下游河道水位12.55m,流量574m3/s。

工況4:庫水位15.74m,下游河道水位7.25m,流量106m3/s。

經模型試驗驗證,通過設置斜降收縮型導流體,在四種不同工況下,溢流堰與泄洪閘交匯處及其下游水流流態均得到明顯的改善,匯流處的偏流漩渦區消失。

3.4 本節試驗總結

1)通過設置斜降收縮型導流體,泄洪閘下泄的水流對溢流堰下泄水流的影響降低。

2)通過斜降收縮型導流體,消除了在泄流的交匯處偏流漩渦。

3)通過斜降收縮型導流體,無論是泄洪閘單獨泄流還是與溢流堰共同泄流,流態都較為順暢。

4 結 論

1)原設計工況下,雙通道泄流時,由于泄洪閘和溢流堰下泄水流流速偏差大,在雙通道的交匯處,水流流態存在偏流漩渦。

2)原設計工況下,溢流堰單獨泄流時,下泄水流能滿足水流順暢的要求。

3)通過在溢流堰和泄洪閘交匯處增加斜降收縮型導流體,泄洪閘下泄的水流對溢流堰下泄水流的影響降低,導流體消除了交匯處的偏流漩渦。

4)通過增加斜降收縮型導流體,無論是泄洪閘單獨泄流還是與溢流堰共同泄流,流態都較為順暢。