龍?zhí)ь^式泄洪洞體型設(shè)計(jì)與泄洪消能問題研究

鄧建偉,花立峰,安夢雄

(1.吐魯番地區(qū)阿拉溝水庫工程管理局,新疆吐魯番838100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西楊凌712100)

0 前 言

為了節(jié)約工程投資,導(dǎo)流洞和泄洪洞相結(jié)合迅速發(fā)展起來。并常利用導(dǎo)流洞改建為具有泄洪、排沙和放空水庫等多種用途的永久隧洞,它的特點(diǎn)是水頭高、流速大。它的布置從進(jìn)口、閘門型式、孔口尺寸、泄洪洞斷面直到出口消能要作為一個(gè)整體來考慮。從水力特性講,泄洪洞可分為壓力洞和明流洞。

對(duì)于高水頭大泄量泄洪洞,目前較好的型式是采用短壓進(jìn)水口而后接明流泄洪洞型式,其典型布置如圖1所示。它由有壓段、渥奇曲線段、反弧段、明槽段及出口段組成。其工作閘門和檢修閘門都位于進(jìn)口壓力段內(nèi),絕大多數(shù)工程都采用弧形門作為工作門,滑動(dòng)式平板門為檢修門,其優(yōu)點(diǎn)是工作閘門無門槽干擾水流,當(dāng)在不同開度下泄水時(shí)引起閘門振動(dòng)的可能性小,對(duì)于高水頭大孔口所需啟閉力小,從而降低了閘門制造的技術(shù)要求,提高了閘門運(yùn)行的安全性和靈活性,所以在國內(nèi)得到廣泛地應(yīng)用。

1 體型設(shè)計(jì)

對(duì)龍?zhí)ь^式泄洪洞的體型設(shè)計(jì),結(jié)合具體工程作了許多研究,其核心問題是如何防止空穴水流的產(chǎn)生。工程實(shí)踐證明,最易產(chǎn)生空穴水流而導(dǎo)致建筑物空蝕破壞的部位多為進(jìn)口段、渥奇曲線段和反弧段。而關(guān)于龍?zhí)ь^式泄洪洞有壓段、渥奇曲線段和反弧段的體型設(shè)計(jì)及水力特性研究,國內(nèi)已有不少研究成果[1-5]。而空穴水流先在反弧末端和渥奇曲線段出現(xiàn),而后才是反弧段。防止反弧段產(chǎn)生空蝕破壞多是在其上游渥奇曲線段加設(shè)摻氣減蝕設(shè)施。本文結(jié)合實(shí)際工程僅對(duì)其渥奇曲線段體型設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討,以供類似工程參考。

圖1 龍?zhí)ь^式泄洪洞典型布置圖

1.1 渥奇曲線段體型設(shè)計(jì)

在陡坡段,為了避免水流脫離底部邊界發(fā)生氣蝕破壞,應(yīng)使水流平順下泄,故常將陡坡段做成拋物線形式。即當(dāng)水流從有壓段流出時(shí),由于重力加速度g的作用使水流向下降落,其降落距離為:

流速v產(chǎn)生水平距離,H為進(jìn)口段底檻以上水深(m)為:

為了消除負(fù)壓,在利用上式計(jì)算渥奇坐標(biāo)時(shí)可取計(jì)算水頭略大于實(shí)際水頭,即:H計(jì)=K·H實(shí),K值的選用可參考表1所列實(shí)際工程,K=1.0～1.7。

采用較大的H計(jì)以消除負(fù)壓,避免發(fā)生空蝕破壞,確保渥奇曲線段體型設(shè)計(jì)安全合理。但關(guān)鍵是如何合理地選擇系數(shù)K值。實(shí)踐證明,對(duì)40 m～80 m水頭下龍?zhí)ь^式泄洪洞渥奇曲線段體型設(shè)計(jì)采用(或K=1.25～1.45)是可以滿足防蝕要求的。

表1 龍?zhí)ь^式泄洪洞陡坡段曲線方程實(shí)例

1.2 出口泄流消能方式

某工程泄洪洞由導(dǎo)流洞改建而成,為降低截流難度,隧洞出口較低,在正常運(yùn)行時(shí),隧洞出口部位的河床水位高于隧洞出口底板近5.0 m,當(dāng)渲泄設(shè)計(jì)洪水時(shí),兩者相差更大約9.0 m。根據(jù)一般工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在這種條件下,若采用挑流方式消能,挑坎低于尾水(5.0 m～9.0 m),水流無法挑起,而泄洪洞出口處河床寬度僅為35m～45 m,泄洪洞泄水時(shí),必然對(duì)河床對(duì)岸造成嚴(yán)重沖刷,采用挑流消能方式顯然是不合適的。為了節(jié)省工程量,曾嘗試采用戽面流式挑坎,用小挑坎將水流挑入水墊塘,而水墊塘內(nèi)沒有足夠的水墊,出坎后的水流直沖對(duì)岸,水流不能形成戽流,消能塘內(nèi)流態(tài)很差如圖2所示。戽流消能方式也不成立。綜上所述,該泄洪洞采用底流消能更符合工程實(shí)際,但泄洪洞出口至河床岸邊的水平距離不能滿足布置擴(kuò)散段和消能塘的長度。因此,可供選擇的合理有效的方法只能是在消能塘內(nèi)增設(shè)各種輔助消能工,以適應(yīng)該泄洪洞出口距河本岸較近的地形條件。

2 輔助消能工的聯(lián)合消能及泄洪效能效率分析

2.1 輔助消能工的聯(lián)合消能

由于某工程泄洪洞是由導(dǎo)流洞改建而成,這就使該泄洪洞的泄洪消能問題變得相當(dāng)復(fù)雜。因此,合理選擇與優(yōu)化其出口消能工體型成為本試驗(yàn)研究的關(guān)鍵。因?yàn)樵撓芄ぜ纫獫M足施工導(dǎo)流要求,又要滿足工程竣工后永久泄洪的要求,且河谷窄、流向偏、尾水淺等原因,該泄洪洞出口消能工原設(shè)計(jì)采用“小挑坎—水墊塘”方案。水墊塘長70 m,同時(shí)受地形條件所限,塘長也無延長的可能。而理論計(jì)算該塘長約達(dá)140 m,顯然,原設(shè)計(jì)方案消能塘長度實(shí)難滿足泄洪消能要求。分析其主要原因有:(1)由于小挑坎設(shè)計(jì)挑角為14°偏大;(2)水墊塘由于地理空間所限,致使塘長偏短,最終導(dǎo)致下泄水流經(jīng)小挑坎后,挑射水舌直接跨過第一排消力墩而落至水墊塘中部,塘內(nèi)水流呈急流流態(tài)頂沖尾坎形成涌浪高達(dá)26 m(圖2),水流漫溢塘外。而工程實(shí)踐證明[6-7],綜合式消能工比常規(guī)平底消能塘一般來講,可縮短塘長60%左右,減小第二共軛水深10%以上。經(jīng)過多種方案的類比試驗(yàn)研究,對(duì)該泄洪洞消能塘體型設(shè)計(jì)進(jìn)行修改與優(yōu)化,在不增加塘長的基礎(chǔ)上,使塘深由原方案的2.0 m增大到7.0 m。既使這樣仍未滿足設(shè)計(jì)要求,且塘深受地形條件限制也不宜再加深,若繼續(xù)增加塘深,勢必使泄洪洞與消能塘間的渥奇面連接段長度增加,這就意味著消能塘長度需再度縮短,無益于問題的解決。于是進(jìn)行了在消能塘內(nèi)加設(shè)輔助消能工方案的試驗(yàn)研究,即,(a)T型墩+消能塘方案;(b)一排消力墩+T型墩+消能塘方案;(c)二排消力墩+T型墩+消能塘方案。通過試驗(yàn)研究論證,最終推薦工程采用如圖3所示的綜合式消能工,即二排消力墩+T型墩+消能塘方案。無論在導(dǎo)流期還是在正常泄洪期,塘內(nèi)水流均能形成穩(wěn)定的水躍流態(tài)見圖3。分析其原因主要是輔助消能工——消力墩、T型墩與消能塘相結(jié)合,充分發(fā)揮其各輔助消能工的群體效應(yīng)的結(jié)果,較好的解決了導(dǎo)流期低佛氏數(shù)消能和正常泄洪期的高速水流消能防沖的問題。

圖2 某工程泄洪洞原方案消能工體型及流態(tài)圖

2.2 泄洪消能效率分析

由于綜合式消能工——“二排消力墩+T型墩+消能塘”注意了各種形式的輔助消能工之間的搭配及聯(lián)合消能等水力特性,實(shí)現(xiàn)其消能效果的疊加,充分發(fā)揮其各輔助消能工的群體效應(yīng)。使得消能塘內(nèi)水流相互碰撞摻混劇烈、消能充分。試驗(yàn)結(jié)果顯示,水流流速由入塘的21.49 m/s減小到塘末端的8.91 m/s(設(shè)計(jì)工況)。根據(jù)水躍理論,底流消能率與來流佛氏數(shù) Fr有關(guān),其水躍消能率可用下式計(jì)算[8]。

式中:DE為水躍所消耗的能量;EV為躍前斷面能量;K為躍前佛氏數(shù)Fr的函數(shù)。由此可見,Fr越小,水躍消能率越低。該泄洪洞消能塘躍前水流的佛氏數(shù)Fr=4.06～4.38,屬顫動(dòng)水躍2.5＜Fr≤4.5范圍,消能率可達(dá)到20%～45%。由式(4)計(jì)算,本綜合式消能工 ——“二排消力墩+T型墩+消能塘”的消能率為39.8%～43.18%見表2。

圖3 某工程泄洪洞推薦方案消能工體型及流態(tài)圖

表2 泄洪洞消能效率分析

3 結(jié) 論

結(jié)合實(shí)際工程并通過對(duì)龍?zhí)ь^式泄洪洞有壓段、渥奇曲線段和反弧段的體型設(shè)計(jì)及水力特性研究,提出了滿足防蝕要求的渥奇面曲線方程以及輔助消能工與底流消能塘結(jié)合的綜合式消能工。充分發(fā)揮其輔助消能工的群體效應(yīng),使得消能塘內(nèi)水流摻混劇烈、消能充分。結(jié)果表明,該泄洪洞消能塘的消能率已接近穩(wěn)定水躍消能率45%～70%的下限值,較好地解決了該導(dǎo)、泄“二合一”工程的泄洪消能難題。該方案已被實(shí)際工程采用。

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