尾墩體型參數(shù)對(duì)表孔水力特性的影響研究

曹 娜

(阜新蒙古族自治縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 阜新 123100)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)高拱壩建設(shè)取得重大突破，同時(shí)高拱壩泄洪霧化問(wèn)題日益突出[1]，對(duì)下游岸坡和壩體的穩(wěn)定性和安全性造成嚴(yán)重威脅，合理選擇建筑物體型，保證消能防沖滿足工程要求變得尤為重要[2]。寬尾墩作為一種新型的消能工具，通過(guò)邊壁收縮來(lái)提高消能率，李福田等[3]對(duì)不同體型的表孔尾墩進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明尾墩體型能夠?qū)崿F(xiàn)表中孔水舌空中無(wú)碰撞的消能效果，減輕了泄流霧化的影響。呂陽(yáng)泉等[4]對(duì)表孔寬尾墩流道內(nèi)的水流特性進(jìn)行了研究，并尾墩體型布置進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)分析。崔廣濤等[5]對(duì)不同堰上水頭條件下表孔閘室的泄流能力進(jìn)行研究，得出泄流能力與收縮比的定量關(guān)系。本文以白石水庫(kù)為例，設(shè)計(jì)了17種表孔寬尾墩體型方案，對(duì)水墊塘底板的沖擊壓強(qiáng)、水舌擴(kuò)散特性以及表孔泄流能力等水力特性進(jìn)行研究，分析了尾墩體型參數(shù)對(duì)表孔水力特性的影響規(guī)律，該研究對(duì)表孔寬尾墩的實(shí)際應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

白石水庫(kù)以供水、灌溉、防洪為主，兼顧養(yǎng)殖、發(fā)電、觀光旅游，地處錦州、阜新、朝陽(yáng)三市中心地帶。白石水庫(kù)控制流域面積18350km2，總投資22.093億元，總庫(kù)容18.21億m3，為遼河三角洲提供農(nóng)業(yè)灌溉用水2.67億m3。水庫(kù)大壩為混凝土重力壩，壩頂長(zhǎng)5l3.25m，壩高50.31m，泄洪排沙建筑物有4個(gè)中孔和3個(gè)表孔，中孔布置在表孔閘墩下部，每孔泄洪軸線處寬度為13.5m。壩下設(shè)消能水墊塘，凈長(zhǎng)410m，底板厚度4m，二道壩頂部高程為718m。電站引水流量68.2m3/s，引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸，進(jìn)水口高程725m，布置在壩上。引水洞布置在山體內(nèi)，支管內(nèi)徑3.6m，相應(yīng)流速4.39m/s，主洞內(nèi)徑4.8m，相應(yīng)流速5.71m/s。發(fā)電廠房為地下式，安裝三臺(tái)單機(jī)容量50MW的水輪發(fā)電機(jī)組，廠房總長(zhǎng)42.89m，高度35.82m，總寬18.23m。

2 模型試驗(yàn)概況

2.1 模型設(shè)計(jì)

白石水庫(kù)樞紐下游河道狹窄，邊坡坡角為73°，若采用水舌空中碰撞消能方式不利于兩岸邊坡巖體的穩(wěn)定，并且泄洪工況下水流含沙量較高。因此，為保證水墊塘脈動(dòng)壓強(qiáng)、沖擊壓強(qiáng)等指標(biāo)滿足要求，以實(shí)現(xiàn)水舌空中無(wú)碰撞消能效果為試驗(yàn)研究目的，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑誅L/T 5244- 2010《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行，泄水建筑物模型材料采用有機(jī)玻璃制作，糙率為0.007，模型包括：回水系統(tǒng)、泄洪消能建筑物、上游水庫(kù)以及供水系統(tǒng)等，采用正態(tài)模型幾何比尺為L(zhǎng)r=50，物理量的比尺如下[6- 7]：

粗糙比尺：

(1)

壓強(qiáng)比尺：

表2 表孔各方案體型參數(shù)[10]

(2)

流量比尺：

(3)

流速比尺：

(4)

式中，n—粗糙系數(shù)；P—壓強(qiáng)，Pa；Q—流量，m3/s；v—流速，m/s；m—模型；p—原型；r—模型幾何比尺。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)流量計(jì)算采用矩形量水堰測(cè)量，水墊塘?xí)r均壓強(qiáng)采用測(cè)壓管測(cè)量，流量計(jì)算公式如下[8]：

(5)

式中，B—堰寬，m；P—堰高，m；H—堰上水頭，m；Q—流量，m3/s。

為測(cè)定不同水墊塘水深和上游水位情況下表孔寬尾墩的水力特性，對(duì)不同體型工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體見表1。

2.3 表孔體型參數(shù)

寬尾墩的體型參數(shù)直接影響下游消能效果及溢流堰的過(guò)流能力，直墻式寬尾墩可以通過(guò)收縮比ε、墩尾折角θ、始折點(diǎn)位置參數(shù)ξx，ξy等控制參

表1 試驗(yàn)工況表[9]

數(shù)進(jìn)行表征。本文選取表孔壩面傾角α分別為25°、35°，收縮比ε分別為0.49、0.39、0.29、0.37，尾端折角分別為7.554°、11.187°、14.850°進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體方案參數(shù)見表2。

3 尾墩體型參數(shù)對(duì)表孔水力特性的影響

3.1 尾墩體型參數(shù)對(duì)泄流能力的影響

對(duì)各個(gè)試驗(yàn)方案泄流能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在較低水位時(shí)寬尾墩對(duì)表孔泄流能力無(wú)影響，表孔閘室內(nèi)流態(tài)為急流沖擊波流態(tài)，當(dāng)水位較高時(shí)，泄流量受到寬尾墩的影響，閘室內(nèi)水流變?yōu)榫徚?。定義各方案流量關(guān)系曲線與連續(xù)坎水位流量關(guān)系曲線的交點(diǎn)為臨界水位，該臨界水位以下，表孔泄流能力不受寬尾墩的影響，臨界水位以上，寬尾墩對(duì)表孔泄流能力影響逐漸增大。不同體型參數(shù)下，體型參數(shù)對(duì)臨界水位的影響曲線如圖1所示。

由圖1可知，墩尾折角和收縮比一定，壩面俯角越小，臨界水頭越??；壩面俯角和墩尾折角一定，收縮比越小，臨界水頭越小；壩面俯角和收縮比一定時(shí)，墩尾折角越小，臨界水頭越小。主要由于臨界水頭與閘室水流流態(tài)有關(guān)，壩面俯角越小，出口水流流速越小，墩尾折角越小，始折點(diǎn)越靠近堰頂，收縮比越小，出口水深越大。閘室形成緩流，泄流量損失越大，堰頂被淹沒(méi)，隨著表孔邊墻外伸，臨界水位稍微增大。

表3 不同方案水舌空中形態(tài)及泄洪流態(tài)

圖1 體型參數(shù)對(duì)臨界水位的影響曲線

3.2 尾墩體型參數(shù)對(duì)泄洪流態(tài)的影響

在堰上水頭較小時(shí)，水流保持為急流流態(tài)，在收縮段內(nèi)邊墻水深略大于中線水深，兩側(cè)邊墻形成急流沖擊波，出口水流較窄為急流流態(tài)，水舌呈片狀水流形態(tài)；升高水位，出口水流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，表層水體增厚增高，出現(xiàn)水躍現(xiàn)象，水舌橫向?qū)挾仍龃螅焕^續(xù)升高上游水位，水躍現(xiàn)象消失，閘室水流均為緩流，水舌橫向?qū)挾容^大，無(wú)法獲得較好的縱向擴(kuò)散效果。壩面俯角和收縮比對(duì)閘室流態(tài)影響較大，水位較低時(shí)17種方案中閘室內(nèi)均為急流沖擊波流態(tài)。高水位下其規(guī)律較為復(fù)雜，收縮比為0.29、壩面俯角35°時(shí)，折角7.554°下閘室內(nèi)形成緩流流態(tài)，折角11.187°、14.850°下閘室內(nèi)形成水躍壅水流態(tài)；收縮比為0.39、壩面俯角為25°時(shí)，折角7.554°下閘室內(nèi)形成緩流；折角11.187°、14.850°下室內(nèi)形成水躍壅水流態(tài)；俯角為35°時(shí)，折角7.554°、11.187°以及14.850°下均為急流沖擊波流態(tài)；收縮比為0.49時(shí)，閘室內(nèi)水流均為急流沖擊波流態(tài)。不同方案水舌空中形態(tài)及泄洪流態(tài)見表3。

可以看出，墩尾折角對(duì)水舌空中形態(tài)影響較大，墩尾角7.554°方案條件下，水舌空中形態(tài)穩(wěn)定，閘室兩側(cè)邊墻沖擊波交匯無(wú)水翅產(chǎn)生；墩尾折角11.187°方案條件下，出口水舌上緣間歇性出現(xiàn)水翅；墩尾折角14.850°方案條件下，水舌空中形態(tài)很不穩(wěn)定，水舌上緣產(chǎn)生很明顯的水翅，收縮段內(nèi)水流表面出現(xiàn)棱形波。與邊墻不外伸相比，水舌空中形態(tài)更為穩(wěn)定，水流表面的沖擊波得到減免，表孔邊墻外伸后出口收縮段內(nèi)水流流態(tài)得到改善。

3.3 尾墩體型參數(shù)對(duì)水舌縱向擴(kuò)散的影響

隨著上游水位的增加，水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度有所增加，壩面俯角和收縮比保持不變，墩尾折角越大，水舌縱向長(zhǎng)度越長(zhǎng)；同一收縮比和墩尾折角工況條件下，壩面俯角越大，水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度越大。相同墩尾折角工況下，壩面俯角為35°時(shí)，收縮比由0.49減小為0.29，水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度先增大后減小；壩面俯角為25°時(shí)，收縮比由0.49變?yōu)?.39，水舌擴(kuò)散長(zhǎng)度有所減?。贿厜ν馍鞂?duì)水舌縱向長(zhǎng)度的影響曲線，如圖2所示，可以看出表孔邊墻外伸對(duì)水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度有較大影響，α=25°，ε=0.39，θ=7.554°時(shí)，水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度最大增加幅度為9.31m，表孔傾角α=35°，ε=0.375，θ=7.554°，縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度最大增加幅度為19.25m。

圖2 邊墻外伸對(duì)水舌縱向長(zhǎng)度的影響曲線

3.4 尾墩體型參數(shù)對(duì)沖擊壓強(qiáng)的影響

水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)與水舌形態(tài)密切相關(guān)，低水位工況與高水位工況水舌形態(tài)不同，橫向擴(kuò)散較小，隨體型參數(shù)的變化沖擊壓強(qiáng)也有所不同；同一墩尾折角和壩面俯角，收縮比由0.49減小為0.39時(shí)，底板沖擊壓強(qiáng)減??；收縮比和墩尾折角一定，壩面俯角越大，墊塘底板沖擊壓強(qiáng)越小。表孔邊墻外伸對(duì)沖擊壓強(qiáng)的影響曲線如圖3所示，可以看出，不同流能比條件下，邊墻外伸明顯降低了最大沖擊壓強(qiáng)，流能比為0.013，0.017，0.021時(shí)，最大沖擊壓強(qiáng)降低幅度分別為：75.91%、47.36%、46.52%，表孔寬尾墩收縮比取為0.29～0.39時(shí)，既能控制沖擊壓強(qiáng)，同時(shí)使得水舌縱向充分?jǐn)U散。

圖3 表孔邊墻外伸對(duì)沖擊壓強(qiáng)的影響曲線

4 結(jié)論

(1)在較低水位時(shí)寬尾墩對(duì)表孔泄流能力無(wú)影響，表孔閘室內(nèi)為急流沖擊波流態(tài)，當(dāng)水位較高時(shí)，泄流量受到寬尾墩的影響較大，收縮比越大，墩尾折角越大，壩面俯角越大，臨界水位值越高。

(2)隨著堰上水頭的變化，設(shè)置寬尾墩后，表孔閘室內(nèi)出現(xiàn)緩流、水躍壅水、急流沖擊波流態(tài)，收縮比、墩尾折角、壩面俯角越小，水位較高條件下水舌的縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度越小，越易形成緩流流態(tài)，表孔邊墻外伸使得水舌穩(wěn)定性得到改善。

(3)隨著上游水位的增加，水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度有所增加，壩面俯角和收縮比保持不變，墩尾折角越大，水舌縱向長(zhǎng)度越長(zhǎng)；同一收縮比和墩尾折角工況條件下，壩面俯角越大，水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度越大。相同墩尾折角工況下，壩面俯角為35°時(shí)，收縮比由0.49減小為0.29，水舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度先增大后減?。粔蚊娓┙菫?5°時(shí)，收縮比由0.49變?yōu)?.39，水舌擴(kuò)散長(zhǎng)度有所減??；表孔邊墻外伸后，舌縱向擴(kuò)散長(zhǎng)度增幅為19.25m。

(4)同一墩尾折角和壩面俯角，收縮比由0.49減小為0.39時(shí)，底板沖擊壓強(qiáng)減??；收縮比和墩尾折角一定，壩面俯角越大，水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)越??；表孔邊墻外伸后沖擊壓強(qiáng)最大降幅達(dá)到75.91%。

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