溢洪道摻氣設(shè)施和挑坎體型模型試驗(yàn)

夏鵬飛

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

溢洪道摻氣設(shè)施和挑坎體型模型試驗(yàn)

夏鵬飛

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

對(duì)擬建的LZP水庫溢洪道進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明原方案中摻氣槽的設(shè)計(jì)位置不佳，致使水流無法進(jìn)行充分調(diào)整、摻氣保護(hù)長(zhǎng)度不能被充分利用；原設(shè)計(jì)挑坎體型欠妥，由于溢洪道出口位置河道狹窄且溢洪道軸線與河道夾角過大，出射水舌對(duì)河道右岸有嚴(yán)重沖刷現(xiàn)象。針對(duì)以上工程問題，提出上移摻氣槽與底板鏤空異形挑坎兩個(gè)方案，并分別進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，研究結(jié)果證明：底板鏤空異形挑坎方案對(duì)出射水舌的縱向拉伸效果較好，避開了右岸邊坡且水流流態(tài)也更趨穩(wěn)定；調(diào)整后的摻氣槽布置位置合適，空腔形成良好，能夠充分發(fā)揮功效。

模型試驗(yàn)；摻氣坎；挑坎

1 工程概況及研究?jī)?nèi)容

水庫正常庫容1891萬m3，水庫壩型初定為混凝土面板堆石壩，壩址以上控制流域面積100.8 km2，樞紐建筑物主要由攔河大壩、溢洪道、放空導(dǎo)流隧洞，取水塔，電站壓力引水隧洞及壩后電站等主要建筑物組成，是一座集城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用功能于一體的中型骨干水利工程。水庫攔河大壩，壩頂長(zhǎng)182.2 m，最大壩高77.70 m，壩頂寬度8.00 m；溢洪道布置在大壩左岸壩肩，采用駝峰堰，為開敞式有閘控制正堰溢洪道，由進(jìn)口引渠段、控制堰段、漸變調(diào)整短、泄槽段、挑流鼻坎段組成?？刂蒲叨纹鹗嫉讓?6 m，漸變調(diào)整段末寬16 m，漸變段長(zhǎng)79 m，后接矩形槽，泄槽段軸線全長(zhǎng)176.70 m，底坡i=0.303，在泄槽段樁號(hào)為溢0+257.90處布置有摻氣槽，側(cè)槽末端接挑流鼻坎，側(cè)槽軸線與壩軸線呈67.45°夾角。對(duì)應(yīng)的水庫設(shè)計(jì)洪水位為428.35 m（P=2%），校核洪水位為430.31 m（P=0.1%），最大下泄流量為864.00 m3/s。

本文研究?jī)?nèi)容包括：泄槽段體型優(yōu)化研究，觀測(cè)運(yùn)行工況下，溢洪道泄槽段的水流流態(tài)，測(cè)量各工況溢洪道的沿程水深變化情況，底板的壓力，流速分布、水位波動(dòng)；優(yōu)化溢洪道泄槽段的流道體型，保證水流平順。摻氣減蝕研究，復(fù)核設(shè)計(jì)提出的摻氣設(shè)施設(shè)計(jì)（摻氣槽、通氣孔等）；通過模型試驗(yàn)擬定合理的摻氣設(shè)施的位置、結(jié)構(gòu)形式及尺寸。挑坎研究，測(cè)量在各工況下泄水建筑物挑流鼻坎末端水舌的挑射距離、入水角、入水寬度并對(duì)挑坎的體型進(jìn)行優(yōu)化。

2 模型設(shè)計(jì)及制作

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺1∶50，為正態(tài)模型。各物理量的相似關(guān)系如下：長(zhǎng)度比尺：λL=50，流速比尺：λV=λL0.5=7.07，流量比尺：λQ=λL2.5=17677.67，時(shí)間比尺：λr=λL0.5=7.07，糙率比尺：λn=λL1/6=1.92。模型采用有機(jī)玻璃制作，以便觀察水流流態(tài)。為了更好地了解溢洪道沿程壓力分布情況，在其上布置了大量測(cè)壓管，并采用鋼尺測(cè)量?jī)烧哐爻虊毫耙绾榈姥呙?泄槽段等處水深。制作完成后，進(jìn)行了全面系統(tǒng)的檢查，模型中地形的高程誤差控制在±3 mm以內(nèi)，平面誤差控制在±5 mm以內(nèi)。建筑物的高程誤差控制在±0.5 mm以內(nèi)，保證模型和原型的幾何相似性，確保試驗(yàn)的精度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 泄流能力

本次試驗(yàn)分別實(shí)測(cè)了各種庫水位下側(cè)槽溢洪道全開時(shí)的泄流能力。側(cè)槽溢洪道采用駝峰堰，堰寬度為26.00 m，溢流凈寬21.00 m,堰頂高程422.00 m。

表孔下泄流量按堰流公式計(jì)算，公式為：

式中：m為綜合流量系數(shù)；n為閘孔數(shù)，n=3；b為閘孔寬度，b=7 m；H為溢流壩堰頂（422.00 m）以上的水頭。

取試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以庫水位為橫坐標(biāo)，流量系數(shù)與流量為縱坐標(biāo)，點(diǎn)繪成圖，并進(jìn)行公式擬合。如圖1和圖2所示：原設(shè)計(jì)的校核工況下泄流量為864.00 m3/s。試驗(yàn)結(jié)果為在校核水位時(shí)的流量為959.30 m3/s，比設(shè)計(jì)值大95.30 m3/s(11.02%)，所以泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，并且還有一定的超泄能力。

3.2 水面線與壓強(qiáng)

本試驗(yàn)對(duì)溢洪道的設(shè)計(jì)體型，進(jìn)行了兩種工況的初步試驗(yàn)，即校核工況、設(shè)計(jì)工況。去除位于坎、槽下方的測(cè)點(diǎn)（由于摻氣槽和挑流鼻坎的影響而引起了局部水面線的增加），結(jié)合圖3可看出沿程水深逐漸降低，為降水曲線，這是流量一定，流速沿程增加所造成的必然結(jié)果。溢洪道沿程的壓強(qiáng)分布如圖4所示，在堰面曲線段布置了7個(gè)測(cè)壓點(diǎn)?？紤]到溢洪道底坡不變時(shí)，沿程壓力幾乎相等，故溢洪道泄槽直線段壓力測(cè)點(diǎn)相對(duì)較少，以斜距10.5 m為間隔。測(cè)點(diǎn)17、18因?yàn)槲挥诳涨环秶鷥?nèi)，所以沒有壓強(qiáng)讀數(shù)。測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)17及18處均出現(xiàn)負(fù)壓，最大負(fù)壓出現(xiàn)在設(shè)計(jì)工況下的測(cè)點(diǎn)6（樁號(hào)：溢0+135.20），壓力值約為-2.35×9.8 kPa，根據(jù)水深測(cè)量結(jié)果，此處設(shè)計(jì)工況下的水深約為3.70 m，水流速度約為7.91 m/s，根據(jù)壓力和流速可算得此時(shí)的水流空化數(shù)約為4.221，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工程要求的0.3，因此此處輕微的負(fù)壓不會(huì)造成空化破壞。

圖1 水位與流量系數(shù)關(guān)系曲線

圖3 校核工況溢洪道水面線

圖4 校核工況溢洪道壓強(qiáng)

3.3 空腔特性

空腔特性是影響摻氣效果的重要因素之一，空腔長(zhǎng)度影響著摻氣量及摻氣設(shè)施的有效保護(hù)范圍[1]，空腔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，摻氣越充分，減蝕效果越好，因此空腔的長(zhǎng)短是衡量各種方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)體型中摻氣槽的布置位置過于向下，使水流沒有經(jīng)過充分調(diào)整就進(jìn)入出口挑坎，流態(tài)較差，摻氣槽所提供的摻氣保護(hù)長(zhǎng)度沒有充分利用，故模型試驗(yàn)中采取原設(shè)計(jì)的摻氣槽尺寸不變，將其向上移動(dòng)30 m，即在樁號(hào)為溢0+227.9處。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：調(diào)整后的摻氣槽布置位置比較適合，空腔形成良好，設(shè)計(jì)水位時(shí)空腔長(zhǎng)度達(dá)到23 m、空腔高度為1 m且空腔內(nèi)無明顯積水，能夠充分發(fā)揮功效，水流流態(tài)比較理想，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)空腔特性

3.4 挑流特性及入水寬度

溢洪道是水利水電工程主要的泄水建筑物之一，與其聯(lián)合應(yīng)用的挑流消能工也多種多樣，如連續(xù)挑坎、斜切挑坎、窄縫挑坎等[2]。本工程原設(shè)計(jì)溢洪道末端挑坎體型欠佳，由于下游河道較窄，水舌的擴(kuò)散程度受到了一定的限制，在設(shè)計(jì)工況和校核工況下，自該挑坎出射的水舌直接沖刷右岸邊坡，樞紐的消能防沖成為該工程關(guān)鍵性控制技術(shù)難題，需進(jìn)一步優(yōu)化。設(shè)計(jì)挑坎兩種工況下挑射水舌入水寬度均在30 m左右，如表2所示，對(duì)右岸邊坡有嚴(yán)重的沖刷情況。為了避免溢洪道水舌沖刷下游河道右岸，使水舌盡可能沿河道縱向充分拉伸且落入下游河道中心，從而有利于消能和保護(hù)岸坡穩(wěn)定，經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)化采用了燕尾型挑坎。

表2 反弧挑坎實(shí)測(cè)挑流特性

表3 燕尾挑坎實(shí)測(cè)挑流特性

針對(duì)原設(shè)計(jì)體型的仍然有沖刷邊坡的現(xiàn)象，故在優(yōu)化設(shè)計(jì)中對(duì)挑坎體型進(jìn)行優(yōu)化，將挑坎更改為燕尾型挑坎，該挑坎是在反弧底板上有規(guī)律的鏤空后形成的一種新式挑坎，以其自身的體型特征在側(cè)墻不收縮也不擴(kuò)寬的條件下，亦能夠形成典型的窄縫水舌，大大緩解了挑坎側(cè)墻所承受的壓力[3]，鑒于該工程的情況，將右燕尾的末端寬度加大至6 m，左燕尾的末端寬度設(shè)置為5 m。使得經(jīng)挑坎右邊墻出射的水流盡可能向左岸方向挑射以便保護(hù)右岸岸坡，通過本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原體型校核與設(shè)計(jì)工況下出現(xiàn)的挑射水流沖刷岸坡的現(xiàn)象在優(yōu)化體型中得到了明顯好轉(zhuǎn)，挑射水流流態(tài)也更趨穩(wěn)定。水舌入水寬度僅為13 m左右，較之原設(shè)計(jì)反弧型挑坎入水寬度減少近50%，實(shí)測(cè)挑流特性見表3。從燕尾挑坎末端位置挑射出的水流，在燕尾型挑坎的約束條件下，水舌由于拋射點(diǎn)不等但卻連續(xù)分布使得水舌在空中相互拉伸形成一層連續(xù)較薄的簾狀水面撲入下游河道，擴(kuò)大了入水寬度，一定程度降低了對(duì)下游河床的沖擊，有利于下游流態(tài)的穩(wěn)定。

圖5 反弧挑坎設(shè)計(jì)尺寸及運(yùn)行流態(tài)

圖6 燕尾型挑坎設(shè)計(jì)尺寸及運(yùn)行流態(tài)

4 結(jié)論

溢洪道的設(shè)計(jì)尺寸滿足要求，進(jìn)水口段水面平緩，溢洪道段身流態(tài)良好，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了駝峰堰可提高流量系數(shù)，進(jìn)而提高閘的泄流能力。

優(yōu)化了原摻氣槽設(shè)計(jì)位置，調(diào)整后的摻氣槽尺寸合適，空腔形成良好，能夠充分發(fā)揮功效，水流流態(tài)比較理想。

優(yōu)化后的底部鏤空異形挑坎，以其自身的體型特征在側(cè)墻不收縮也不擴(kuò)寬的條件下，亦能夠形成典型的窄縫水舌，出射水舌縱向充分拉伸并向左岸方向挑射，入水寬度明顯收窄，順利避開右岸且挑射水流流態(tài)更趨穩(wěn)定。

[1]楊永森.跌坎型摻氣槽過流的摻氣特性[J].水利學(xué)報(bào)，1994年第2期：65-70.

[2]張毅馳，彭勇.窄河道大交角泄洪洞出口體型優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].吉林水利，2008.4.

[3]夏鵬飛.燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2015年第6期：124-128.

Spillway aeration facilities and bucket body model test

Xia Pengfei
（YanglingVocational and Technical College Yangling712100,Shaanxi）

For the proposed LZP reservoir spillway hydraulic model tests,the results show the design position of the aeration tank in the original scheme is not good,resulting in water flowing not be fully adjusted,gas protection length not be fully utilized.The original design bucket type is defective,because of the river at the spillway outlet position is narrow and the angle between the axis of the spillway and the river is big.A jet is of serious scouring phenomenon on the right side of the river channel.In viewof the above engineering problems,the paper puts forward the two schemes of uplifting the aerated tank and the bottom platehollow-shaped ridge,and the optimization experiments are carried out respectively.The results show that the bottom plate scheme is better for the longitudinal tensile effect of the water jet and avoids the right bank slope and the water flowing state is more stable.After adjusting,the position of the air chamber is suitable,the cavity is formed well,and can be put intofullplay.

the model test,the aerator and flip bucket

TV651.1

B

1673-9000（2017）04-0103-03

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夏鵬飛（1987-），男，陜西興平人，碩士，主要研究方向：水工水力學(xué)