某水庫(kù)工程底孔窄縫方案試驗(yàn)研究

閆 路 明

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

某水庫(kù)工程底孔窄縫方案試驗(yàn)研究

閆 路 明

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

受條件限制，某水庫(kù)工程底孔只能將水舌挑入主河槽，而該孔口中心線(xiàn)與主河槽交角較大，同時(shí)為避免底孔水舌下緣沖擊下游水墊塘二道壩，底孔水舌需越過(guò)二道壩。通過(guò)相關(guān)方案比選，綜合考慮流態(tài)、挑距、流道無(wú)壓段水深以及沖沙水位的設(shè)置等相關(guān)水力學(xué)指標(biāo)，最終提出了只在無(wú)壓段左邊墻貼楔形體的解決方案，較好地解決了該工程底孔的泄洪消能問(wèn)題。

窄縫挑坎；體型參數(shù)；水舌流態(tài)；挑距

1 工程概述

某工程攔河大壩為拋物線(xiàn)型碾壓混凝土雙曲拱壩，壩體基本呈對(duì)稱(chēng)布置，最大壩高為85 m，壩頂寬8 m，壩底厚21.5 m。壩身泄洪系統(tǒng)由4個(gè)溢流表孔和1個(gè)泄洪沖沙兼放空底孔組成，均采用挑流消能方式。溢流表孔布置于主河床，堰頂與正常蓄水位同高，采用自由溢流方式，不設(shè)閘門(mén)；底孔(兼顧放空與沖沙)布置于左岸，進(jìn)口處孔口尺寸為3×4 m(寬×高)，出口為3×3 m(寬×高)，設(shè)弧形工作閘門(mén)，最大下泄流量260 m3/s。

工程的主要難點(diǎn)在于：由于底孔末端與水墊塘二道壩距離相對(duì)較近，無(wú)法將底孔水舌完全挑入水墊塘而不對(duì)二道壩造成沖擊，因此，需要將底孔水舌完全挑越過(guò)二道壩并且不對(duì)下游河道造成過(guò)強(qiáng)沖刷；而又要實(shí)現(xiàn)水舌的大幅挑射和縱向拉伸，需要在底孔無(wú)壓段設(shè)置一定的側(cè)收縮或者斜坡挑坎以實(shí)現(xiàn)水流的偏轉(zhuǎn)并越過(guò)二道壩，但是這樣做又將增大無(wú)壓段水深并對(duì)弧形工作閘門(mén)牛腿造成部分淹沒(méi)。因此需要綜合考慮各個(gè)因素，權(quán)衡利弊，找出最優(yōu)的解決方案，工程布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程布置圖

2 體型參數(shù)

窄縫同寬尾墩一樣，都是較為新式的消能型式，事實(shí)上，當(dāng)前二者的差異已經(jīng)相當(dāng)小，二者之間的界限已經(jīng)較為模糊。實(shí)際工程顯示，窄縫的總體效果相對(duì)較好[1][2][3]。

窄縫挑坎有異于等寬挑坎，它是憑借過(guò)流邊壁的束窄，迫使水流豎向擴(kuò)散和縱向拉伸，同時(shí)加劇水體的紊動(dòng)摻氣，使兩側(cè)水流實(shí)現(xiàn)碰撞，提高消能效率并降低水體對(duì)于下游的掏刷。由于邊墻的束窄，致使水面壅高，邊墻水深沿程逐漸向上爬升，形成中間低、兩側(cè)高的凹形水面形態(tài)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑楸瘸?∶50的正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7種方案(為增加出挑水舌下緣挑距計(jì)，考慮在將方案1、2、3的底板增設(shè)一定高度的楔形體)，底孔相關(guān)參變量如圖2所示，具體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

圖2 底孔參變量示意圖

方案編號(hào)L/mh/mB1/mB2/mb/m13.01.00.750.751.5023.01.00.500.502.0033.00.50.750.252.0043.000.7502.2552.000.7502.2562.000.5002.5072.000.2502.75

3 水舌流態(tài)及挑距

由于不同工況下，底孔泄流量差異相對(duì)較小，其流態(tài)以及挑距等均沒(méi)有明顯的差異，所以試驗(yàn)均選取正常工況對(duì)應(yīng)的水頭(為方便觀(guān)察底孔水舌流態(tài)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)閉表孔，圖片中出現(xiàn)的表孔泄水是由于閘門(mén)止水不嚴(yán)密所致)對(duì)底孔窄縫體型進(jìn)行試驗(yàn)。

不同方案下底孔水舌挑射形態(tài)見(jiàn)圖3，從不同體型時(shí)底孔水舌流態(tài)可以看出，窄縫的增設(shè)實(shí)現(xiàn)了出挑水流的豎向擠壓與縱向拉伸，使得水舌落點(diǎn)面積增大，實(shí)現(xiàn)了能量的分散；極大程度地增加了底孔水舌的挑距，使水舌落點(diǎn)遠(yuǎn)離壩身，減小了對(duì)于大壩的不利影響。

方案1、2、3由于增設(shè)底部楔形體的緣故，其水舌下緣挑距較遠(yuǎn)，這一方面有利于大壩以及水墊塘的防沖，但是也在一定程度上減弱了窄縫的拉伸效果。

同時(shí)，試驗(yàn)觀(guān)測(cè)表明，不需底板楔形體底孔水舌拉伸程度更好；方案7出射水舌縱向拉伸不明顯，其落點(diǎn)相對(duì)集中，距泄洪消能建筑物也相對(duì)較近，而且水舌左緣轉(zhuǎn)向相對(duì)微弱，出射水體幾乎完全落在左岸凸起山體，其流態(tài)與完全不設(shè)置窄縫條件下差異較小；方案5側(cè)向收縮速率相對(duì)于方案6為快，其水舌下緣極不穩(wěn)定，這對(duì)于下游河道的防沖有不利影響。

圖3 底孔出射水舌形態(tài)

4 無(wú)壓段沿程水深

底孔有壓段出口設(shè)置一弧形閘門(mén)，而其有壓段后接無(wú)壓段部分相對(duì)較短，故而設(shè)計(jì)要求其沿程水深不能過(guò)高，以免造成設(shè)計(jì)牛腿等方面的難題。所以，底孔無(wú)壓段沿程水面曲線(xiàn)是一個(gè)需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。同時(shí)，水舌挑距是一個(gè)衡量窄縫消能防沖效果的重要指標(biāo)，由于水墊塘設(shè)置尾坎的緣故，底孔水舌下緣需滿(mǎn)足不能沖刷尾坎的條件，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也對(duì)庫(kù)區(qū)水位逐漸下降直至底孔水舌運(yùn)動(dòng)至尾坎的庫(kù)區(qū)水位進(jìn)行了記錄。

各方案下底孔無(wú)壓段沿程水面曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，試驗(yàn)同時(shí)測(cè)得了挑射水舌近端挑距L1、遠(yuǎn)端挑距L2以及庫(kù)區(qū)沖沙水位H(由于底孔兼具沖沙功能，所以需要測(cè)定能夠?qū)崿F(xiàn)沖沙的最低水位)，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖4 底孔無(wú)壓段沿程水面曲線(xiàn)

方案L1/mL2/mH/m178.6123.3433.25274.4119.7426.15370.0115.0423.35441.5102.5407.85540.0100.0418.35643.090.5408.35748.081.0399.85

可以看到由于出口窄縫的緣故，方案1、2以及3雖然水舌最遠(yuǎn)挑距均較大，同時(shí)水舌落點(diǎn)偏離左岸凸起山體，這些都有利于避免出射水體沖擊到河道左岸凸起山體，但是其無(wú)壓段沿程水深均較大幅度地超過(guò)了設(shè)計(jì)弧形工作閘門(mén)牛腿，方案3由于底板設(shè)置有沿程抬升的挑坎的緣故，水面甚至幾乎完全淹沒(méi)牛腿；方案4由于取消底板挑坎以及右邊墻收縮的緣故，水面有較大幅度的下降，但是依舊較大幅度地淹沒(méi)了部分牛腿；方案5維持出口寬度不變，將收縮段長(zhǎng)度由原來(lái)的3 m縮減為2 m，使得牛腿淹沒(méi)幅度更劇，同時(shí)由于收縮比過(guò)大的原因，出射水體下緣極不穩(wěn)定，使得庫(kù)區(qū)水位在418.35 m時(shí)水舌下緣就已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至尾坎；方案7由于僅在左邊墻收縮了0.25 m，所以沿程水深變幅較小，但是依舊對(duì)牛腿有輕微的沖擊，從牛腿體型改動(dòng)幅度大小方面考慮，可選擇該方案，但是其不足之處是對(duì)下游河道沖刷相對(duì)較強(qiáng)；方案6水舌縱向拉伸相對(duì)較好，落點(diǎn)一定程度上偏離左岸凸體，位于河道中心線(xiàn)附近，雖然底孔無(wú)壓段沿程水深一定程度上淹沒(méi)了牛腿，但在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)即使是完全不設(shè)置出口窄縫的情況下，依舊有輕微幅度的沖擊牛腿現(xiàn)象，綜合考慮各項(xiàng)因素，最終采用了方案6。

5 結(jié) 論

針對(duì)某工程底孔的泄洪消能問(wèn)題，綜合考慮流態(tài)、挑距、流道無(wú)壓段水深以及沖沙水位的設(shè)置等相關(guān)水力學(xué)指標(biāo)，最終提出了只在無(wú)壓段左邊墻貼楔形體的解決方案，較好地解決了該工程底孔的泄洪消能問(wèn)題，同時(shí)得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)不同體型的窄縫方案的研究發(fā)現(xiàn)，窄縫挑坎可以實(shí)現(xiàn)水流的豎向擠壓與縱向拉伸，兩側(cè)水流在空中交匯碰撞，增強(qiáng)了水流的能量耗散；其出挑水舌落點(diǎn)分散，能夠?qū)崿F(xiàn)水流能量較為高效的分散，達(dá)到對(duì)下游河床與岸坡防沖的目的。

(2)不對(duì)稱(chēng)窄縫將原本對(duì)稱(chēng)設(shè)置的側(cè)收縮結(jié)構(gòu)根據(jù)工程的實(shí)際狀況改為兩邊側(cè)墻具有不同收縮寬度的型式，從而同步實(shí)現(xiàn)水流的拉伸與轉(zhuǎn)向的目的。試驗(yàn)觀(guān)察以及數(shù)據(jù)表明，不對(duì)稱(chēng)窄縫可以解決論文所述類(lèi)似水庫(kù)底孔水舌繞開(kāi)下游河道岸邊凸體的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了水流良好歸槽以及分散落點(diǎn)的目的。

(3)常規(guī)窄縫挑坎由于側(cè)壁收縮產(chǎn)生的沖擊波問(wèn)題，使得流道內(nèi)水深變得較高，從而對(duì)挑坎邊墻的高度提出了更高的要求，而且隨著側(cè)墻的增高，挑坎的傾覆危險(xiǎn)系數(shù)也隨著升高。

(4)不對(duì)稱(chēng)窄縫可以實(shí)現(xiàn)水流的自由轉(zhuǎn)向，保證水舌順利歸槽的目的，但是由于挑坎結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)，流道內(nèi)水流將產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的偏心作用，從而對(duì)挑坎結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定提出了更高的要求。

[1] 高季章，窄縫式消能工的消能特性和體型研究[C].水利水電科學(xué)研究院科學(xué)研究論文集(第13集).北京:水利電力出版社，1983，2；

[2] 肖興斌，王業(yè)紅.高壩挑流消能設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀評(píng)述[J]，長(zhǎng)江水利教育，1998年第4期；

[3] 高季章.伊朗壩工建設(shè)中一些值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)[J]，水力發(fā)電，1999年第4期.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2017-02-25

P343.3；TV551.1+3；TV653+.4

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1001-2184(2017)02-0144-03

閆路明(1982-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，河海大學(xué)水文與水資源工程專(zhuān)業(yè)(本科)，工程師，從事水文、規(guī)劃工作.