挑流水墊塘坎尾壅水特性研究

齊春風(fēng)，尹進(jìn)步

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

1 研究背景

近年來，隨著我國高水頭、大流量泄洪建筑物的不斷增加，挑流水墊塘及寬尾墩+消力池聯(lián)合消能的消能工形式在工程中得到了廣泛應(yīng)用。寬尾墩+消力池聯(lián)合消能工雖然利用三元水躍進(jìn)行消能，但分析其三元水躍的形成機(jī)理可發(fā)現(xiàn)，這種消能形式實(shí)質(zhì)也是挑流與底流聯(lián)合消能的一種形式［1－4］。

已有工程研究成果表明，無論是高壩挑流水墊塘的消能形式，還是寬尾墩+消力池聯(lián)合的大單寬泄洪消能形式，2種消能的核心都是水墊塘(水墊塘又稱消力池)水流紊動消能，而水墊塘水流能否充分紊動消能的關(guān)鍵因素則是水墊塘水墊深度。一般水墊深度主要取決于下游河道水位及水墊塘末端尾坎高度。由于下游河道水位是隨河道流量而變化，不能通過建筑物調(diào)整，因此尾坎高度就成為人為可控的決定水墊深度的一個關(guān)鍵因素。

工程設(shè)計(jì)中尾坎高度的選取一般可以按不同過堰水流的過流能力計(jì)算選取，但工程實(shí)際觀察結(jié)果表明:由于水墊塘處于不同程度的紊動狀態(tài)，而一般堰前水流都比較平穩(wěn)，因此按過堰水流的過流能力計(jì)算得到的尾坎頂部水深與尾坎實(shí)際壅水產(chǎn)生的水深之間始終存在一定差距。為了對這一差距進(jìn)行準(zhǔn)確把握，本文結(jié)合相關(guān)工程模型試驗(yàn)測試研究［5］，對淹沒與非淹沒2種狀態(tài)下的尾坎壅水特性進(jìn)行具體分析。

2 非淹沒狀態(tài)下尾坎壅水特性研究

非淹沒狀態(tài)下尾坎壅水實(shí)際就是下游河道水位比較低，而尾坎頂高程比較高，尾坎過流為自由過流的一種形式。以設(shè)計(jì)中的西藏瀾滄江如美水電站水墊塘過流形式為例，通過模型試驗(yàn)測試與計(jì)算對比分析，對水墊塘尾坎非淹沒過流狀態(tài)下的壅水特性進(jìn)行研究。

2.1 工程簡介

如美水電站位于西藏自治區(qū)芒康縣境內(nèi)的瀾滄江上游河段，工程樞紐由礫石土心墻堆石壩、左岸開敞式溢洪道、左岸泄洪洞、左岸中層放空洞、左岸底層放空洞及右岸廠房引水系統(tǒng)組成，2條導(dǎo)流洞均布置在右岸。其中，擋水建筑物心墻堆石壩最大壩高達(dá)315 m，是我國乃至世界上的高壩之一。

由于壩高水頭也高，因此泄洪建筑物出口均采用挑流消能形式，為防止挑流水舌對下游河道產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，對下游左岸絨曲河溝槽進(jìn)行開挖，形成圓弧底拱“凹”形水墊塘，所有挑射水流均挑入水墊塘中，水墊塘末端設(shè)置尾坎，尾坎縱剖面圖如圖1。由于下游河道水位比較低，而尾坎頂比較高，因此泄洪時尾坎過流始終為自由溢流形式，即尾坎屬于非淹沒狀態(tài)下壅水。

圖1 如美水電站消力池尾坎縱剖面圖Fig.1 Longitudinal profile of the tail bucket of stilling basin of Rumei Hydropower Station

2.2 理論計(jì)算與模型試驗(yàn)測試對比

由于尾坎體型不同，其過流計(jì)算方法可能不同，為了選擇一個相對比較合理的計(jì)算方法，首先對尾坎體型進(jìn)行歸類分析。從圖1可以看出，如美工程尾坎是由上游斜坡面與三圓弧組成，與文獻(xiàn)［6］定義的C型駝峰堰很接近，但堰高P與水頭H之比P/H大于1.33，屬于高堰，而駝峰堰多為低堰，因此不能按駝峰堰進(jìn)行流量計(jì)算，必須按實(shí)用堰分析。一般實(shí)用堰流量計(jì)算又必須與其體型參數(shù)取值一致。經(jīng)過對多組不同參數(shù)所確定的實(shí)用堰體型與此處尾坎體型對比分析發(fā)現(xiàn):此處泄洪控制段體型與定型設(shè)計(jì)水頭Hd=68 m的WES實(shí)用堰很接近，堰前為兩段復(fù)合圓弧型曲線(R1=46.24 m，R2=14.28 m)，堰面曲線對比如圖2所示，可以看出2個堰面曲線基本重合。因此可按該實(shí)用堰參數(shù)選取流量系數(shù)進(jìn)行尾坎過流計(jì)算，流量計(jì)算公式［7］如下:

式中:c為上游堰面坡度影響系數(shù)，取c=0.997;m為流量系數(shù)，根據(jù)規(guī)范選取;ε1為側(cè)收縮系數(shù)，此處無收縮，取ε1=1.0;σs為淹沒系數(shù)，自由出流取σs=1.0;B為堰寬(m);H為土堰前水深(m)。

圖2 尾坎體型對比Fig.2 Comparison of tail shapes

為求得此尾坎的實(shí)際壅水曲線，由模型試驗(yàn)分別測得其堰上水位和過堰流量。其中，過堰流量由上游量水堰測得;堰前水位，考慮到水流紊動大小的影響，在不同流量時分別由距尾坎頂一定距離處同一斷面上多個測試點(diǎn)的平均值求得。計(jì)算與模型實(shí)測壅水曲線如圖3所示。

對圖3中2條曲線進(jìn)行對比分析，可以看出:(1)當(dāng)Q＜6000 m3/s時，2條曲線很接近，差距不大，理論計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測的尾坎壅水特性基本保持一致。

(2)當(dāng)Q＞6 000 m3/s時，2條曲線的差距隨過流量增大而逐漸增大，且實(shí)用堰理論計(jì)算所得坎頂水深總要大于其實(shí)際的壅水高度。Q=10000m3/s時，坎頂水深差值 ΔH=0.955 m;Q=15 000 m3/s時，ΔH=1.948 m。

對上述對比結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在非淹沒過流狀態(tài)下，受水流紊動影響，尾坎實(shí)際過流能力要大一些，即尾坎壅水高度比堰流計(jì)算有所減小，且隨著泄洪流量的增加，紊動逐漸加強(qiáng)，實(shí)際壅水高度與堰流計(jì)算結(jié)果之間的差值也逐漸增加。

圖3 非淹沒過流尾坎壅水曲線Fig.3 Curves of tail backwater in non-submerged discharge

3 淹沒過流狀態(tài)尾坎壅水特性研究

淹沒狀態(tài)下尾坎壅水實(shí)際就是下游河道水位比較高，而尾坎頂高程比較低，尾坎過流為淹沒過流的一種形式。以云南金沙江阿海水電站消力池過流形式為例，通過模型試驗(yàn)測試與理論計(jì)算分析對比方法，對消力池尾坎淹沒過流狀態(tài)下的壅水特性進(jìn)行研究。

3.1 工程概況

阿海水電站位于云南省麗江地區(qū)玉龍縣(右岸)與寧蒗縣(左岸)交界的金沙江中游河段，樞紐主要由擋水大壩、左岸溢流表孔及消力池、左岸泄洪(沖沙)底孔、右岸排沙底口、壩后主副廠房等組成。

由于泄洪單寬流量比較大，因此泄洪建筑物采用寬尾墩+消力池聯(lián)合消能的形式，消力池末端設(shè)一復(fù)合性尾坎，其體型縱剖面如圖4。雖然尾坎后水流存在2次跌落，但下游河道水位始終比尾坎頂高，因此泄洪時，尾坎過流基本為淹沒溢流形式，即尾坎壅水形式屬于淹沒狀態(tài)下壅水。

圖4 阿海水電站消力池尾坎縱剖面圖Fig.4 Longitudinal profile of the tail bucket of stilling basin of Ahai Hydropower Station

3.2 理論計(jì)算與模型試驗(yàn)測試對比

首先對尾坎體型進(jìn)行歸類分析。δ/H=0.937 5，屬于實(shí)用堰，取Hd=15 m。尾坎過流量計(jì)算公式仍為式(1)，式中參數(shù)意義同上，取c=1.0，ε1=1.0，流量系數(shù)m也由規(guī)范確定，σs取決于下游水深超過堰頂?shù)母叨扰c堰上全水頭之比hs/H，以及下游堰高與堰上全水頭之比P2/H。

尾坎的壅水高度由水力學(xué)模型試驗(yàn)測得。計(jì)算與模型實(shí)測壅水曲線如圖5所示。對圖5中2條曲線進(jìn)行對比分析，可以看出:對于同一過流量，尾坎的理論計(jì)算坎頂水深總大于其實(shí)際的壅水高度，且隨著流量增大，2條曲線差距逐漸減小。當(dāng)Q=4 000 m3/s時，坎頂水深差值ΔH=1.713 m;當(dāng)Q=14 000 m3/s時，坎頂水深差值ΔH=1.324 m。隨著泄洪流量的進(jìn)一步增加，實(shí)測坎頂水深與計(jì)算值差距繼續(xù)減小。

圖5 淹沒過流尾坎壅水曲線Fig.5 Curve of tail backwater in submerged discharge

4 過流狀態(tài)尾坎壅水特性比較

為了對2種過流狀態(tài)下尾坎的壅水特性進(jìn)行比較，又繪制了坎頂水深差值與堰流計(jì)算水深之比隨流量變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。可以看出，2曲線的變化規(guī)律不同:非淹沒過流條件下，ΔH/H計(jì)算隨過堰流量增加而增加，設(shè)計(jì)過堰流量超過15 000 m3/s時，ΔH/H計(jì)算接近16.64%;淹沒過流條件下，ΔH/H計(jì)算隨過堰流量增加而減小，過堰流量在5 000～14 000 m3/s時，ΔH/H計(jì)算從17% 減小到7.34%。結(jié)合2種過流狀態(tài)的水力特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，變化規(guī)律完全不同的主要原因是形成水墊深度的因素不同。

圖6 尾坎壅水曲線比較Fig.6 Comparison of tail backwater curves

非淹沒過流狀態(tài)下，尾坎自由出流，水墊深度主要依靠尾坎壅水實(shí)現(xiàn)，而隨著泄洪流量增加，水墊塘內(nèi)的水流紊動也在不斷增加，但尾坎壅高的計(jì)算值是按近乎靜水的水深計(jì)算得到，因此，坎頂水深差值與堰流計(jì)算水深之比逐漸增加;而淹沒過流狀態(tài)下，水墊深度既依靠尾坎高度壅高，又受下游河道水位影響。雖然隨著泄洪流量增加，池內(nèi)紊動可能促使坎頂水深差值與堰流計(jì)算水深之比逐漸增加，但下游河道水位快速增加，產(chǎn)生的壅水作用也快速增加，2種作用交叉，使得過堰流量增加時，坎頂水深差值與堰流計(jì)算水深之比逐漸減小。

5 結(jié)語

通過淹沒與非淹沒狀態(tài)下尾坎過流能力的試驗(yàn)與計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)由于受水墊塘內(nèi)的水流紊動影響，一般實(shí)際工程中尾坎的壅水高度較計(jì)算值偏小。非淹沒過流狀態(tài)下，如果泄洪流量相對比較小，池內(nèi)水流消能充分，則尾坎高度可直接由理論計(jì)算壅水曲線確定，但隨著泄洪流量的增加，受水流紊動等因素影響，尾坎的實(shí)際壅水高度與理論計(jì)算值之間的差值逐漸增加。如美工程資料對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)計(jì)過堰流量超過15 000 m3/s時，試驗(yàn)測試壅水高度與理論計(jì)算值之間的差值接近16.64%;淹沒過流狀態(tài)下，雖然坎頂水深也受水流紊動作用，但同時也受下游水流淹沒度影響，因此隨著泄洪流量的增加，試驗(yàn)測試壅水高度與理論計(jì)算值之間的差值逐漸減小，阿海工程資料分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過堰流量在5 000～14 000 m3/s變化時，試驗(yàn)測試壅水高度與理論計(jì)算值之間的差值從17%可減小到7.34%。

上述分析結(jié)果表明，在實(shí)際工程中進(jìn)行水墊塘尾坎高度設(shè)計(jì)時，需在理論計(jì)高度基礎(chǔ)上，考慮水流紊動等因素進(jìn)行適當(dāng)加高，且加高幅度，需結(jié)合淹沒與非淹沒不同過流狀態(tài)，以及相關(guān)工程資料進(jìn)行確定。

［1］童顯武，李桂芬，謝省宗，等.高水頭泄水建筑物收縮式消能工［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.(TONG Xian-wu，LI Gui-fen，XIE Sheng-zong，et al.Contraction Energy Dissipator for High Head Discharge Structure［M］.Beijing:China Agricultural Science Press，2000.(in Chinese))

［2］練繼建，楊 敏.高壩泄流工程［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.(LIAN Ji-jian，YANG Min.Discharge Structure for High Dam［M］.Beijing:China Water Power Press，2008.(in Chinese))

［3］張宗孝，牛爭鳴.用附加動量理論分析齒墩與消力池聯(lián)合消能機(jī)理［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2001，18(2):11－14，18.(ZHANG Zong-xiao，NIU Zheng-ming.A-nalysis of Joint Energy Dissipation Mechanism of Stilling Basin and Dentated Baffle-pier with Additional Momentum［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2001，18(2):11－14，18.(in Chinese))

［4］陳宗梁.世界超級高壩［M］.北京:中國電力出版社，1998.(CHEN Zong-liang.Extra-high Dams in the World［M］.Beijing:China Electric Power Press，1998.(in Chinese))

［5］梁宗祥，尹進(jìn)步，盧泰山，等.云南金沙江中游河段阿海水電站X型寬尾墩消能技術(shù)試驗(yàn)研究總報(bào)告［R］.陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.(LIANG Zongxiang，YIN Jin-bu，LU Tai-shan，et al.General Report of Experimental Study on X-shape Flaring Pier Energy Dissipation Technology for Ahai Hydropower Station in the Middle Reach of Jinsha River［R］.Yangling:Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry，2009.(in Chinese))

［6］武漢大學(xué)水利水電學(xué)院.水力計(jì)算手冊［K］.北京:中國水利水電出版社，2006.(School of Water Resources and Hydropower of Wuhan University.Handbook of Hydraulic Calculation［K］.Beijing:China Water Power Press，2006.(in Chinese))

［7］水利部天津水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2000.(Tianjin Hydropower Design Institute of Ministry of Water Resources.Code for Spillway Design［S］.Beijing:China Water Power Press，2000.(in Chinese))