阿拉溝水庫溢洪道挑流體型結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)研究

木克然·阿娃,侯 杰,卡地爾江·米吉提,何照青,馬明祥

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電學(xué)校,新疆 烏魯木齊 830013;3.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

阿拉溝水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)托克遜縣境內(nèi),是阿拉溝河及托克遜縣“兩河”流域的重要控制性工程,壩址距阿拉溝出山口以上3.5 km,距托克遜縣75 km[1]。

阿拉溝水庫主要建筑物有主壩,溢洪道,泄洪洞三部分。水庫總庫容 4450萬m3,攔河壩壩高105.26 m,興利庫容3050萬m3,死庫容 850萬m3,為Ⅲ等中型水利工程。水庫正常蓄水位944.5 m,對(duì)應(yīng)庫容3900萬m3,設(shè)計(jì)洪水位944.6 m,校核洪水位947.8 m。阿拉溝水庫溢洪道位于右岸,為岸邊開敞式正槽溢洪道,全長(zhǎng)241 m,溢洪道洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)(P=1%),相應(yīng)泄洪流量試驗(yàn)值為565.09 m3/s,2000年一遇校核(P=0.05%),相應(yīng)泄洪流量試驗(yàn)值為1114.56 m3/s。

阿拉溝河洪水流量較大,匯流迅速、陡漲陡落,泄洪單寬流量較大,消能防沖問題較突出[2-3]。由于地形條件限制,溢洪道挑流鼻坎距離壩坡腳較近,右岸山體較為陡峭,為驗(yàn)證溢洪道的水力特性及其消能防沖設(shè)施的合理性,以及泄洪對(duì)樞紐各建筑物和岸坡的影響,因此必須對(duì)溢洪道挑流坎工程展開模型試驗(yàn)研究。深入觀測(cè)選定挑流坎的水流特性及拋射情況和對(duì)下游河道及周圍建筑物可能造成的影響,盡量減小對(duì)下游的沖刷[4-6]。

2 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

2.1 原工程設(shè)計(jì)方案

阿拉溝水庫溢洪道由進(jìn)水渠、控制段、泄槽和消能防沖設(shè)施四部分組成,全長(zhǎng)241 m。進(jìn)水渠為一矩形平底寬渠道,長(zhǎng)度為14.3 m,寬度28 m?？刂贫沃幸缌餮卟捎谩癢ES”實(shí)用堰,堰高2.25 m,凈寬24 m,利用3扇8 m×5.5 m(寬×高)的弧型閘門控制,控制段長(zhǎng)度為16 m。泄槽采用矩形斷面,總長(zhǎng)度205.7 m,槽寬由28 m漸變至20 m,側(cè)墻高度為5.5 m。泄槽末端接15 m長(zhǎng)的挑流消能段,挑流消能采用的結(jié)構(gòu)是挑流鼻坎,挑流鼻坎半徑30 m,挑角為15°[7],校核流量最大挑距 110.64 m,出坎流速32.7 m/s,沖刷坑深度34.6 m,沖刷坑后坡 i=0.313。

試驗(yàn)測(cè)定了不同庫水位時(shí)溢洪道的不同參數(shù),本文主要討論校核洪水位情況下的試驗(yàn)研究,在論文末端為了更好理解試驗(yàn)最后得到的結(jié)果給出一部分正常蓄水位的研究?jī)?nèi)容。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),其模型幾何比尺 λL=50,相應(yīng)其它比尺如表1所示。

表1 模型比尺

溢洪道模型總長(zhǎng)13.8 m。模型布置如圖1。原設(shè)計(jì)挑流鼻坎模型如圖2所示。

圖1 阿拉溝水庫溢洪道模型布置圖

圖2 原設(shè)計(jì)模型挑流鼻坎

2.2 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

由于溢洪道軸線與壩軸線在平面上構(gòu)成76.48°轉(zhuǎn)角,加之閘室上游引渠右側(cè)半徑為155 m的圓弧邊墻連接,形成了具有彎道特征的邊界條件,使閘前水流形成彎道水流的特征,閘前水流流態(tài)比較紊亂。在閘室左邊墻處,水流在此急速轉(zhuǎn)向,形成范圍較大的水流漩渦,使此處的水位最低,繼而水位沿橫向逐漸升高,使水流產(chǎn)生不均勻的橫向比降。

下泄水流過堰后,首先在兩閘墩后形成墩后漩渦,繼而向下形成墩后的菱形波,其波長(zhǎng)較短,波高較高。下泄水流經(jīng)過泄槽漸變段的收縮,在泄槽漸變段后再次形成菱形波,并與閘墩后的菱形波疊加,水流流態(tài)紊亂,其波長(zhǎng)增長(zhǎng),波高較高。下泄水流經(jīng)過泄槽段的調(diào)整,菱形波沿程逐漸消弱,直至消能段。

由于溢洪道挑流鼻坎以下為擬人工開挖山體形成的海漫平臺(tái),下泄水流在挑流鼻坎的作用下形成的挑流水舌,其左端落入海漫平臺(tái)末端以下的河床,而挑流水舌右端則落在海漫平臺(tái)上后被再次挑起而落入下游河床,如圖3所示。隨著溢洪道下泄流量的變大,落在擬人工開挖山體海漫平臺(tái)上的水舌長(zhǎng)度增大,沖刷海漫平臺(tái),濺起大量水花,將產(chǎn)生濃重的水霧。

對(duì)于下游河道的沖刷問題,試驗(yàn)測(cè)得,校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距(挑流鼻坎末端離水舌內(nèi)緣線距離)為75.0 m,末端挑距(挑流鼻坎離水舌外緣線距離)為148.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為19.4 m,最深點(diǎn)離挑坎末端距離為112.0 m。挑流沖刷坑地形如圖4所示。

圖4 原設(shè)計(jì)方案校核洪水位挑流沖刷地形圖

針對(duì)原設(shè)計(jì)挑流水舌末端挑距較大,落海漫平臺(tái)后所帶來的沖刷和霧化等問題,有必要對(duì)溢洪道的挑流體型進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究。

3 挑流體型結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 挑流體型初步的優(yōu)化

由于溢洪道段的地形和地質(zhì)條件所限,溢洪道的軸線不能變動(dòng),因此,僅能對(duì)溢洪道末端的挑流體型結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和優(yōu)化,試圖將溢洪道末端挑流段右邊直墻修改半徑為91.6 m的圓弧墻,使挑流水舌避開海漫平臺(tái),左邊墻保持原形不變。如圖5所示(高程尺寸m,長(zhǎng)度尺寸mm,圖6、圖7同)。

圖5 初步優(yōu)化后挑流體型結(jié)構(gòu)圖

通過初步的優(yōu)化,水舌經(jīng)過挑流鼻坎后,左側(cè)一部水直接跳進(jìn)下游河床,右側(cè)一部水受右側(cè)圓弧邊墻的影響往左旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度并與水舌左側(cè)部分水相互混淆,使減少水舌能量,并落在海漫平臺(tái)上被再次挑起而落入下游河床,水流霧化仍然比較嚴(yán)重。校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距為73.0 m,末端挑距為140.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為18.5 m,最深點(diǎn)離挑坎末端距離為108.0 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到通過試驗(yàn)所解決的問題。需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

3.2 挑流鼻坎進(jìn)一步的優(yōu)化

在初步優(yōu)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,延長(zhǎng)挑流反弧段一扇形圓弧面,扇形角為35°;反弧段右邊墻為半徑91.6 m的圓弧面邊墻,末端邊墻墻高9 m,起始端邊墻高與原設(shè)計(jì)方案相同。如圖6所示。

圖6 進(jìn)一步優(yōu)化后挑流體型結(jié)構(gòu)圖

通過本次優(yōu)化,從實(shí)驗(yàn)中得出,水流經(jīng)過挑流鼻坎后,水舌左側(cè)直接挑進(jìn)河床內(nèi),而水舌右側(cè)部分水在圓弧墻的作用下向左明顯的轉(zhuǎn)一個(gè)角度推左側(cè)部分水流并沿海漫平臺(tái)左岸落入河床,同樣產(chǎn)生水霧。校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距為68.0 m,末端挑距為131.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為18.9 m,最深點(diǎn)離挑坎末端距離為104.0 m,試驗(yàn)雖然有所改善但還沒能達(dá)到水舌完全避開海漫平臺(tái)的目的。結(jié)構(gòu)體型需要再次的優(yōu)化。

3.3 挑流鼻坎最后優(yōu)化

經(jīng)反復(fù)修改試驗(yàn)確定了挑流段體型的結(jié)構(gòu)形式:在反弧段與右邊墻墻根設(shè)置一三角形扭曲面。三角形扭曲面挨邊墻的長(zhǎng)度為20 m,挨底部挑流鼻坎的長(zhǎng)度19 m,末端長(zhǎng)度4 m;反弧段左邊墻不變。

優(yōu)化后挑流體型結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。

圖7 優(yōu)化后挑流體型結(jié)構(gòu)圖

由于溢洪道的進(jìn)水渠段、控制段和泄槽段的結(jié)構(gòu)沒有改變,因此,通過其間的水流流態(tài)亦無變化。當(dāng)下泄水流通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的異形挑流鼻坎時(shí),其水流流態(tài)發(fā)生了很大的改變。下泄水流在反弧底板、右圓弧面邊墻和三角形扭曲面邊界約束下,先向右沿三角形扭曲面迅速爬高后再向左旋轉(zhuǎn),形成縱曲軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的挑流水舌,避開了擬人工開挖山體形成的海漫平臺(tái)而落入海漫平臺(tái)左側(cè)河道中,如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后挑流體型模型

圖9 優(yōu)化后挑流水流流態(tài)

試驗(yàn)測(cè)得正常蓄水位和校核洪水位時(shí)異型挑流鼻坎的挑流水舌形態(tài)如圖10、圖11所示,在校核洪水位時(shí)水舌最高點(diǎn)跟挑坎末端高差29.5 m,正常蓄水位時(shí)水舌最高點(diǎn)跟挑坎末端高差為17 m。

圖10 挑流體型優(yōu)化后正常蓄水位挑流水舌形狀圖

對(duì)于沖刷坑試驗(yàn)測(cè)得校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距為65.0 m,末端挑距為120.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為20.85 m,最深點(diǎn)距離跳坎末端距離為106.40m。正常蓄水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距為51.0 m,末端挑距為95.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為19.10 m,最深點(diǎn)離跳坎末端距離為97.06 m。挑流沖刷坑地形如圖12所示。

圖11 挑流體型優(yōu)化后校核洪水位挑流水舌形狀圖

圖12 修改設(shè)計(jì)方案校核洪水位挑流沖刷地形圖

優(yōu)化后溢洪道異型挑流鼻坎挑流水舌特性如表2所示。

表2 修改后溢洪道挑流鼻坎水流特性

試驗(yàn)測(cè)得挑流鼻坎的起挑流量為158.63 m3/s,此時(shí)挑流水舌跌落在海漫平臺(tái)上;當(dāng)下泄流量達(dá)到512.02 m3/s時(shí)挑流水舌跌落在海漫左側(cè)河床上;當(dāng)下泄流量在158.63 m3/s～512.02 m3/s時(shí),其中大部分水舌跌落在海漫左側(cè)的河床上,另小部分水舌跌落在海漫平臺(tái)上,下泄流量越大,則水舌落在海漫平臺(tái)上的越少;小于起挑流量158.63 m3/s時(shí),水流沿挑坎末端左側(cè)巖面貼壁而下,對(duì)此處巖面及其下河床造成一定的沖刷[8-10]。

4 結(jié) 語

本文對(duì)新疆托克遜縣阿拉溝水庫溢洪道進(jìn)行水力模型試驗(yàn)研究,修改方案采用異型挑流鼻坎后,在反弧底板、右圓弧面邊墻和三角形扭曲面邊界約束下,下泄水流在離心力的作用下,先向右沿三角形扭曲面迅速爬高后再向左旋轉(zhuǎn),形成縱曲軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的水舌,避開了擬人工開挖的海漫平臺(tái)而落入左側(cè)河道中,避免了挑射水流直接沖刷海漫平臺(tái)的不利情況,同時(shí)也大大地減少了不必要的擬人工開挖的海漫平臺(tái)的山體開挖工程量,達(dá)到了挑流體型結(jié)構(gòu)優(yōu)化預(yù)期的目的。

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