某工程溢流表孔水力特性模型試驗

成 斌

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

某工程溢流表孔水力特性模型試驗

成 斌

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000）

為了驗證新疆某工程溢流表孔設(shè)計的合理性，通過水工模型試驗對溢流表孔的堰面曲線、斜坡、反弧段的設(shè)計體型進行驗證。結(jié)果：溢流表孔的泄流能力略小于設(shè)計泄流能力，沿線均為正壓，僅在出口處出現(xiàn)負(fù)壓，但負(fù)壓值較小，不會出現(xiàn)空蝕破壞；挑流消能效果較好，沖涮坑離挑流鼻坎較遠(yuǎn)不會危及鼻坎的安全；成果已被設(shè)計采用。

水工模型；試驗；溢流表孔；水力特性

1 工程概況

某工程位于新疆某地區(qū)，具有調(diào)水、灌溉、發(fā)電等綜合效益。該主要由擋水大壩、發(fā)電引水洞和電站廠房等組成。擋水大壩為混合壩，溢流表孔、導(dǎo)流兼泄洪底孔布置在混凝土重力壩段，引水發(fā)電系統(tǒng)和電站廠房布置在河道的左岸。

該水庫總庫容0.32億m3，正常蓄水位1 282.0 m，死水位1 276.0 m，調(diào)節(jié)庫容0.10億m3，最大壩高73.2 m，電站裝機容量50 MW；根椐《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252—2000規(guī)定，各建筑物級別為：大壩、泄水建筑物、灌溉放水和發(fā)電引水進水口為2級建筑物；灌溉放水管、發(fā)電引水洞和電站廠房為3級建筑物；臨時建筑物為4級。

溢流表孔布置在主河床段，設(shè)計洪水下泄流量472.52 m3/s，校核洪水下泄流量538.28 m3/s，溢流表孔設(shè)2孔，布置在兩個壩段內(nèi)，單孔凈寬8 m，邊墩厚2 m，溢流前緣凈寬為22.50 m，堰頂高程1 276.0 m，采用弧形工作門擋水，孔口尺寸（寬×高）為8.0 m×7.0 m，工作門前設(shè)1道事故檢修門。溢流堰面曲線y=0.109x1.85與下游壩坡1：0.75相切，溢流堰頂點上游用三圓弧與上游坡相接，下游采用挑流消能方式，反狐半徑25.0 m，溢流面挑坎頂高程為1 241.292 m，高于下游最高洪水位1 239.0 m，挑射角24.73°。

2 水工模型簡介[1]

2.1 模型設(shè)計

按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計模型，進行正態(tài)水工模型試驗。模型幾何比尺Lr=40，各物理量的比尺如下：

（1）水力參數(shù)的相似比尺列于表1；

表1 重力相似條件下的各水力參數(shù)相似

混凝土糙率0.012～0.014，要求模型糙率為nm=0.0065～0.0076 ，有機玻璃糙率為0.007，采用有機玻璃做模型材料制作泄水建筑物滿足要求。

2.2 模型制作

為使模型試驗?zāi)軌蜉^真實地反映原型的水流情況，在選擇水工結(jié)構(gòu)模型材料時必須近似顧及模型材料的糙率要求。

原型泄水建筑物的表面糙率取值為np=0.014，下游河道的糙率np=0.033。

模型泄水建筑物的糙率nm應(yīng)為nm=0.00757，下游河道的糙率為nm=0.0178。

有機玻璃材料的糙率一般為0.006～0.008，所以模型中泄水建筑物材料選用的是有機玻璃。常規(guī)混凝土的糙率為0.014，下游河道材料選用的是混凝土抹面并用細(xì)微砂礫加糙（見圖1）。

圖1 溢流表孔模型圖

3 試驗結(jié)果[1、2]

3.1 溢流表孔泄流能力

設(shè)計水位1 282 m溢流表孔單獨泄流，下泄流量為453.93 m3/s，比設(shè)計流量458.30 m3/s小4.37 m3/s（0.95%）；校核水位1 282.64 m溢流表孔單獨泄流，下泄流量為526.21 m3/s，比校核流量533.09 m3/s小6.88 m3/s（1.29%）。

溢流表孔在設(shè)計水位1 282 m，隨著孔口開度的增大，泄流能力逐漸增大，流量系數(shù)也呈遞增趨勢（見表2）。

表2 溢流表孔設(shè)計水位時弧形閘門開度-流量關(guān)系

3.2 溢流表孔水流流態(tài)

在設(shè)計水位1 282 m，表孔在不同開度e=0.8、1.6、2.4、3.2、3.8 m運行時，在門槽附近有漩渦產(chǎn)生，但都不太穩(wěn)定，呈時有時無狀態(tài)，對泄水建筑物的危害不大；隨著開度的增大，門槽附近的漩渦基本消失?？傮w看來，表孔閘門局開時的泄流流態(tài)良好。

3.3 溢流表孔沿程壓力分布

溢流表孔沿線布置了15個壓強測點。本次試驗對不同庫水位下，溢流表孔沿程進行了壓強觀測（見表3）。從表3可以看出：溢流表孔沿程測點的壓強值均為正壓，僅在出口挑坎處出現(xiàn)負(fù)壓，但負(fù)壓絕對值不大。計算出設(shè)計水位1 282 m和校核水位1 282.64 m時最小空化數(shù)均為0.30，對于較小的空化數(shù)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制施工的平整度，以避免發(fā)生空蝕破壞。

表3 不同庫水位時溢流表孔沿程壓強值 m

3.4 溢流表孔消能效果及沖坑深度

在設(shè)計洪水和校核洪水的工況下，溢流表孔單獨泄洪的沖坑最低點高程分別為：1 223.24、1 222.48 m，沖坑深度分別為：6.76、7.52 m（下游河床面均按1 230 m計算），沖坑最深點距表孔出口距離分別為：59.2、56.8 m。

設(shè)計水位時，表孔出挑水舌外挑距為59.04 m，沖坑最深點距表孔出口59.2 m、高程為1 223.24 m，最大沖坑深度6.76 m（下游河床面按1 230 m計算）；校核水位時，沖坑最深點距表孔出口56.8 m、高程為1 222.48 m，最大沖坑深度7.52 m（下游河床面按1 230 m計算）。

3.5 溢流表孔霧化范圍

溢流表孔挑流的霧化影響范圍分為兩大區(qū)：強暴雨區(qū)和霧流擴散區(qū)；強暴雨區(qū)又可分為兩個子區(qū)：霧流降雨區(qū)和霧化區(qū)。

庫水位1 282 m時：溢流表孔閘門全開時的坎上流速v0約為22.92 m/s，挑角θ=20 ，內(nèi)外挑距分別為43.56 m和56.4 m。溢流表孔霧化影響范圍最大縱向范圍為185.56 m，橫向范圍為166.28 m。

庫水位1 282.64 m時：溢流表孔閘門全開時的坎上流速v0約為23.57 m/s，挑角θ=20 ，內(nèi)外挑距分別為46.8 m和60 m。溢流表孔霧化影響范圍最大縱向范圍為185.56 m，橫向范圍為166.28 m。

溢流表孔霧化影響范圍詳見表4。

表4 溢流表孔霧化影響范圍 m

4 結(jié)論

水工模型試驗表明表孔溢流堰的堰面曲線、斜坡、反弧各段的體型設(shè)計合理，各部位的水深、流速、壓力分布合理，僅出口挑坎處出現(xiàn)負(fù)壓，但負(fù)壓的絕對值較小，施工過程中嚴(yán)格控制平整度，可避免空蝕破壞。挑流消能效果較好，最大沖坑深度7.52 m，距調(diào)流鼻坎距離56.8 m，對挑流鼻坎穩(wěn)定沒有影響。溢流表孔最大霧化影響范圍，縱向影響范圍196.94 m，橫向影響范圍174.08 m。以上試驗成果已被設(shè)計采用。

[1]水利部長江水利委員會長江科學(xué)院.泄水工程于高速水流情報網(wǎng)第三屆全網(wǎng)大會論文集[C].武漢：長江科學(xué)院出版社.1990.

[2]大連理工大學(xué)建工學(xué)部水利學(xué)院.某樞紐混合壩整體模型試驗報告[R].大連：大連理工大學(xué)建工學(xué)部水利學(xué)院.2015.

Hydraulic characteristics model test of surface spillways for a project

CHENG Bin
(Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Xinjiang,Urumqi 830000,China)

In order to examine the design of surface spillways for a project in Xinjiang,hydraulic model test was conducted to check the weir surface curve,slope,reverse arch section of spillways.The results of test demonstrate that the discharge capacity is slightly less than the design value;minor negative pressure only occurs at the outlet without cavitation damage;ski-jump energy dissipater renders good effects with the scouring pit far from the deflector bucket.The results of test was adopted by design.

Hydraulic model;test;surface spillway;hydraulic characteristics

TV131.61

B

1003-1510（2016）06-0023-03

2016-10-08

成 斌（1983-），男，新疆烏蘇人，新疆水利水電勘測設(shè)計研究院工程師，學(xué)士，從事水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

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