消能工在白楊河水庫的聯(lián)合應(yīng)用

湯 慧,劉亞坤,倪漢根

(大連理工大學(xué)建工學(xué)部水利工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

1 工程概況

白楊河水庫位于阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)南部山區(qū),北距吐烏大高等級公路垂直距離3 km,是白楊河上的一座控制性山區(qū)水庫,在滿足灌溉的前提下,向工業(yè)園區(qū)供水,同時(shí)兼顧防洪,是一座具有綜合利用任務(wù)的水利工程。

白楊河水庫樞紐工程由粘土心墻壩、導(dǎo)流泄洪兼放水洞、開敞式溢洪道等主要建筑物組成。開敞式溢洪道利用河道地形,將其布置在右岸壩肩上。溢洪道軸線與壩軸線夾角70°,堰頂高程1006 m,設(shè)計(jì)泄水量105.55 m3/s,校核泄水量144.48 m3/s。

開敞式溢洪道由進(jìn)口引渠段、控制段、泄槽段、出口消能段等組成。進(jìn)口引渠段:引渠長77.65 m,進(jìn)口底板高程1003 m,縱坡 i=0,梯形斷面?？刂贫?堰型采用WES堰型,堰頂高程1006 m,堰高3 m,堰后接1∶3.5陡坡段,溢流堰設(shè)1孔,單孔凈寬 5 m,采用弧形工作門擋水,另設(shè)平板檢修門。泄槽段:泄槽主要通過壩肩岸坡,采用臺(tái)階式消能方式,臺(tái)階高度1m,寬3.5 m。結(jié)合地形縱坡1∶3.5,底寬5 m。出口消能段:出口段采用底流消能,消力池長25 m,寬8 m,池深1.4 m,底板高程943.68 m。護(hù)坦長30 m,底板混凝土厚1.0 m。護(hù)砌段后為開挖不襯砌泄水渠段與河道平順連接。

2 原方案試驗(yàn)成果

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型是按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),縮放比例為1∶25的正態(tài)模型,模型的剖面如圖1所示。流速儀采用南京水科院制造的光電流速儀。護(hù)坦采用砂漿制作,護(hù)坦后布置鉛絲籠填塊石軟保護(hù),在石籠后50 m長范圍內(nèi)設(shè)局部動(dòng)床,以檢驗(yàn)沖刷情況,模型試驗(yàn)中根據(jù)基巖的抗沖能力,采用原型基巖的允許流速換算成模型流速后作為起動(dòng)流速的方法來選擇模型沖料粒徑,經(jīng)模型試驗(yàn)與工程實(shí)例驗(yàn)證,模型沖料粒徑采用公式V=MD1/2計(jì)算(M取值5～7),抗沖流速V根據(jù)設(shè)計(jì)院提供值取2.0 m/s,選的模型砂粒徑D為3.0mm～6.4mm(相當(dāng)于原型75mm～160mm),沖刷時(shí)間為2 h(相當(dāng)于原型10 h)[1]。

圖1 原方案模型剖面圖

2.2 試驗(yàn)成果及存在的問題

試驗(yàn)工況組合如表1所示[2]。

表1 原方案試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中觀察到,各庫水位工況下,溢流堰來流基本平穩(wěn),堰上游流速較小。庫水位1007.20 m時(shí),階梯泄槽段內(nèi)呈現(xiàn)舌形跌落狀水流,水層較薄,由階梯逐級跌落后,在階梯跌坎下游面形成空腔;設(shè)計(jì)洪水位1011.01 m及校核洪水位1012.28 m時(shí),階梯泄槽段內(nèi)呈現(xiàn)滑移狀水流,此流態(tài)從上游到下游按摻氣情況可分為三部分:光滑水流、摻氣過渡區(qū)水流和完全摻氣水流[3]。水面由平順、光滑過渡到波動(dòng)跳躍、水滴飛濺,階梯跌坎下游面形成穩(wěn)定的漩渦,階梯槽面的流速為9 m/s～14 m/s,大大減小了進(jìn)入消力池的流速和動(dòng)能。

泄槽段總體來看,布置的臺(tái)階增加了槽面的“表面糙率”,加劇了水流紊動(dòng),增加了水流摻氣量,增大了沿程水深,從而使得流速降低,泄流消能效率提高。

在庫水位1007.20 m的工況下,消力池內(nèi)水流平順,消能充分;設(shè)計(jì)洪水及校核洪水的工況下,消力池內(nèi)水流波動(dòng)、旋滾強(qiáng)烈,尤其是校核洪水泄流時(shí),甚至有部分水躍沖出消力池,可以明顯看出消力池的尺寸不足;實(shí)測池出口的平均流速為6.83 m/s,池后護(hù)坦上水流紊亂,存在較大的波浪,流速分布也不均勻,護(hù)坦中間實(shí)測平均流速為2.84 m/s,末端實(shí)測平均流速為5.08 m/s,水流以波狀水躍形式向下游傳播較遠(yuǎn),對下游河床有一定的沖刷作用,從沖刷的結(jié)果來看,第四、第五排護(hù)坦發(fā)生坍塌移動(dòng),在距護(hù)坦末端11.2 m范圍,沖坑深1.1 m,上游沖坑反坡約為1∶10。校核洪水位時(shí)的泄流流態(tài)及護(hù)坦沖刷后的地形如圖2和圖3所示。

圖2 校核洪水泄流流態(tài)

圖3 校核洪水沖刷后地形

依據(jù)原方案試驗(yàn)結(jié)果分析,解決該溢洪道消能防沖問題的關(guān)鍵是使消力池內(nèi)形成完整穩(wěn)定的水躍,提高池內(nèi)消能效率,改善護(hù)坦上水流流態(tài),消除波浪,減小護(hù)坦末端的水流流速。

3 修改方案試驗(yàn)成果

對消力池及護(hù)坦分別進(jìn)行了以下幾種優(yōu)化方案的試驗(yàn)。方案1:在消力池入口7.5 m處加一高為1.25 m、上寬0.75 m、下寬1.625 m的消力坎;方案2:去掉消力坎,消力池挖深1 m,長度加長5 m;方案3:在方案2的基礎(chǔ)上消力池再挖深1m,護(hù)坦、石籠高程均降低1 m,護(hù)坦加長10 m;方案4:在方案3的基礎(chǔ)上護(hù)坦中間加三排梯形消力墩,消力墩差動(dòng)布置。

試驗(yàn)結(jié)果表明,校核洪水位泄流時(shí),方案1池內(nèi)雖然能夠形成強(qiáng)迫水躍,但出池水流跌落在護(hù)坦上,護(hù)坦水面波動(dòng)仍較大,護(hù)坦末端流速為7.19 m/s,未能達(dá)到消能的目的;方案2消力池內(nèi)可以形成完整的水躍,但池出口水流與下游銜接不夠平順,水流紊亂,致使護(hù)坦末端流速依舊達(dá)到了6.24 m/s;方案3消力池出口平均流速降至5.60 m/s,下游護(hù)坦水深增加,護(hù)坦末端流速降為4.74 m/s,沖刷后護(hù)坦及石籠均安全穩(wěn)定,但對護(hù)坦上三個(gè)斷面的水深、流速測量結(jié)果顯示,護(hù)坦上的水深、流速分布不均勻,即護(hù)坦上水流擴(kuò)散不均勻,這對護(hù)坦以及下游的沖刷是不利的,為了達(dá)到更好的消能效果,進(jìn)行了方案4的優(yōu)化試驗(yàn),在護(hù)坦中間(樁號0+254.00m)加三排消力墩,并測量了護(hù)坦上同樣三個(gè)斷面的水深、流速,實(shí)測數(shù)據(jù)見表2和表3。校核洪水時(shí)的泄流流態(tài)及護(hù)坦沖刷后的地形見圖4和圖5,消力墩布置見圖6、圖 7。

表2 方案3護(hù)坦上的水深及流速

表3 方案4護(hù)坦上的水深及流速

圖4 方案4校核洪水泄流流態(tài)

圖5 方案4校核洪水沖刷后地形

圖6 消力墩平面布置圖(尺寸單位mm,高程單位m)

圖7 消力墩剖面布置圖(尺寸單位mm,高程單位m)

試驗(yàn)中還對方案4各水位下階梯段的消能率進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表4所示。表中消能率 η的計(jì)算公式為:

式中:H1為以最末段臺(tái)階為基準(zhǔn)面的上游水體總能量,以此基準(zhǔn)面算得的進(jìn)口高程z1=57.908 m,v1可忽略不計(jì);H2為最末段臺(tái)階上水流具有的能量,最末段臺(tái)階高程z2=0。

表4 階梯溢洪道的消能率

通過模型試驗(yàn)觀察、比較4種修改方案,可以看出方案4中,階梯消能與消力池水躍消能配合較好,各工況階梯泄槽段的消能率均達(dá)到84%以上,水流經(jīng)過下游護(hù)坦上的消力墩后,內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以調(diào)整,流速分布較為均勻,護(hù)坦末端流速降為2.84 m/s,符合護(hù)坦及下游的抗沖要求。階梯消能工作為主要的消能元件,消殺了大部分水流能量,消力墩作為輔助消能元件,起到了強(qiáng)化消能的作用,聯(lián)合運(yùn)用二者最終達(dá)到了消能充分,與下游水流平順銜接的目的。

4 結(jié) 論

當(dāng)溢洪道泄流落差較大,受下游河道地形、河床地質(zhì)條件等限制需采用底流消能時(shí),所需消力池往往又深又長,其造價(jià)要占整個(gè)建筑物的40%[5],若采用階梯消能工,人工對光滑的溢流面“加糙”,可以大大增加泄槽段的消能率,減小消力池的尺寸,節(jié)省工程投資,還可避免流道產(chǎn)生空蝕破壞的危險(xiǎn)[6];若下游護(hù)坦上流態(tài)較差,仍有余能需要消殺,則采用消力墩可以達(dá)到增強(qiáng)水流擴(kuò)散能力,改善流速分布,減小沖刷的效果[7]。本文對白楊河水庫樞紐工程溢洪道進(jìn)行水力模型試驗(yàn)研究,試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示校核洪水工況下,階梯溢洪道的消能率為84.5%,護(hù)坦末端流速為2.84 m/s,證明了采用階梯消能與底流消力池、消力墩聯(lián)合消能的優(yōu)化方案不僅可以避免護(hù)坦及下游河床受到?jīng)_刷,還可最大的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。

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