新疆某水利樞紐表孔出口挑坎水力學(xué)試驗(yàn)分析

陳 銘

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

水利工程泄水建筑物的末端往往因?yàn)樗髁魉龠^(guò)大，會(huì)設(shè)置一些消能裝置[1]，例如挑流鼻坎[2]。當(dāng)下泄急流被拋向空中，水流與空氣發(fā)生碰撞可以消耗大部分勢(shì)能[3]，然后落入距出水口較遠(yuǎn)的河床之后與下游水流相銜接[4]。通過(guò)調(diào)整挑流鼻坎體型，能有效地控制水流落入下游河床的位置、范圍及流量分布[5]，對(duì)下游水位變幅產(chǎn)生適應(yīng)性效果，減少對(duì)下游沖刷破壞，減少堆積物的阻流影響[6]，保證下游水流通道順暢，減少霧化對(duì)挑坎下游兩側(cè)邊坡的侵蝕破壞[7]是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。但是，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于，如何選擇合適的挑坎體型來(lái)獲得最大的挑距，形成較小的沖坑，產(chǎn)生盡可能小的不利影響[8]，其次挑流鼻坎能承受高速水流的沖擊下的自身穩(wěn)定，抵御抗沖破壞的能力等[9，10]。本文通過(guò)水力學(xué)縮尺模型，驗(yàn)證不同工況下，在鼻坎末端設(shè)置與不設(shè)置差動(dòng)坎時(shí)水流模態(tài)等水流要素，最終確定是否需要設(shè)置挑坎以及合適的挑坎體型，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)借鑒[11，12]。

1 工程概況

新疆某水利樞紐工程為大(1)型Ⅰ等工程。工程利用河段落差和下泄某干流生態(tài)水、灌溉下泄水、冬閑水發(fā)電，電站裝機(jī)容量730 MW，多年平均輸送電量22.34億kW·h。工程由攔河壩、1#表孔溢洪洞、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#深孔放空排沙洞、2#深孔放空排沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房等主要建筑物組成。1#、2#表孔和中孔出口由挑坎挑入共用的水墊塘中消能。

2 基本方案布置

溢洪洞由引渠段、控制段、斜井段、平洞段、出口明槽段和出口挑流消能段組成。出口采用挑流消能方式，挑流鼻坎反弧半徑為50.00 m，挑角為17.975°，最大挑射距離169.14 m，沖刷坑深度52.87 m(黃海高程，下同)。挑坎后為護(hù)坡段，后接水墊塘，水墊塘后接退水渠，將洪水引向原河道[19]，表孔出口挑坎剖面圖詳見(jiàn)圖1。

3 水力學(xué)模型基本工況

依照水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程DL/T 5244-2010[12]，模型按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型。確定模型幾何比尺為50。

各個(gè)物理量的比尺：流速比尺7.07；流量比尺17 677.70；糙率比尺1.92?；炷敛诼?.012～0.014，要求模型糙率為nm=0.006 2～0.007 3，有機(jī)玻璃糙率為0.007，采用有機(jī)玻璃做模型材料制作泄水建筑物滿足要求。

圖1 表孔出口挑坎剖面圖/挑坎測(cè)壓管布置圖

4 試驗(yàn)工況說(shuō)明

根據(jù)模型測(cè)試程序及試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容，制定了本模型實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)工況、運(yùn)行工況、觀察內(nèi)容等，模型試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 模型試驗(yàn)泄洪工況表

在以上6種泄洪工況條件下，通過(guò)對(duì)表孔溢洪洞的起挑水位、終挑水位、出口流態(tài)、消能效果情況進(jìn)行測(cè)試，并改進(jìn)、優(yōu)化挑流鼻坎體型。方案五運(yùn)行建筑物為P=0.01%：1#表孔+2#表孔+中孔；方案六運(yùn)行建筑物為P=0.1%：1#表孔+2#表孔。

5 試驗(yàn)成果分析

對(duì)于挑坎的沿程壓力分布，挑坎段安裝測(cè)壓管，測(cè)壓管布置見(jiàn)圖1，時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)實(shí)測(cè)記錄數(shù)據(jù)列于表2，以及水墊塘?xí)r均壓力等值線圖見(jiàn)圖2。

表2 時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)實(shí)測(cè)結(jié)果 9.8 kPa

6 成果分析及結(jié)論

從圖2分析表明：在表孔末端的挑坎設(shè)置差動(dòng)坎與不設(shè)差動(dòng)坎的水舌形態(tài)稍有差異，去掉差動(dòng)坎后水舌擴(kuò)散不如有差動(dòng)坎充分。從水墊塘底板時(shí)均壓強(qiáng)的分布看并無(wú)顯著差異，或者說(shuō)，挑坎的修改未對(duì)水墊塘帶來(lái)不良影響。減小表孔挑坎的空蝕破壞，差動(dòng)坎本身容易受到高速水流的空蝕破壞，盡管模型實(shí)測(cè)無(wú)負(fù)壓。因此，本次試驗(yàn)證明本工程可以不設(shè)置表孔挑坎的差動(dòng)坎。依此，為本工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖2 水墊塘原設(shè)計(jì)有差動(dòng)與無(wú)差動(dòng)坎的時(shí)均壓力及等值線圖

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[12] DL/T 5244-2010水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程.