階梯溢流壩在左柏水庫中的應(yīng)用試驗(yàn)研究

程文磊，楊 慶，昌子多

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065)

0 前 言

目前，國內(nèi)不少已建或在建水利工程的單寬泄量小于30 m3/(s·m)，壩高幾十米左右，消能工多采取消力池。某些情況下單獨(dú)依靠消力池消能需要下游消力池具有足夠大的規(guī)模，因而增加了工程投資。隨著階梯消能工的發(fā)展，通過在壩面設(shè)置階梯，利用階梯的沿程消能，可減小消力池入池流速，從而減小下游的消能設(shè)施尺寸。階梯消能工是利用水流在通過階梯時(shí)，在階梯凹角內(nèi)形成一系列水平旋渦，水體的劇烈紊動(dòng)使得旋渦水流和主流之間不斷進(jìn)行著動(dòng)量交換[1]，由于水體具有粘性，不斷地紊動(dòng)剪切作用造成能量的損耗，從而達(dá)到消能的目的。

國內(nèi)外學(xué)者對于階梯消能工進(jìn)行了大量系統(tǒng)性的試驗(yàn)。田嘉寧等[2]通過試驗(yàn)建立了階梯水流流態(tài)的劃分界限；陳群等[3]通過試驗(yàn)得出了單寬泄量、階梯尺寸、壩坡、反弧段等對階梯消能率的影響規(guī)律；伍平[4]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在坡比范圍1∶2～1∶3內(nèi)，階梯消能可達(dá)到60%；彭勇，張建民[5]等研究了前置摻氣坎階梯溢洪道的水力特性及摻氣特性。

本文結(jié)合左柏水庫工程資料，通過水工模型試驗(yàn)研究了前置摻氣坎+調(diào)整段+階梯段+反弧段+消力池這一體形下水流的各水力特性，得出當(dāng)下泄單寬流量較小時(shí)，采用該體形可以顯著減小下游消力池規(guī)模。試驗(yàn)獲得的階梯段均勻流水深、流速與相應(yīng)單寬流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式可為實(shí)際工程下游消力池體形設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

左柏水庫總庫容1 037萬m3，屬三等中型工程。水庫正常蓄水位534.0 m，相應(yīng)庫容1 015萬m3，設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)534.0 m，校核洪水位534.67 m。堰頂高程529.0 m，設(shè)兩溢流表孔，每孔凈寬4.0 m。下游消力池設(shè)計(jì)底板高程469.8 m，最大水頭差64.2 m，最大單寬泄量22.74 m3/(s·m)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檎龖B(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶40，表1為試驗(yàn)工況。

表1 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)成果

2.1 試驗(yàn)體形

試驗(yàn)初設(shè)體形為光滑溢洪道+反弧段+跌坎+消力池。該體形下下游消力池池長55.6 m，跌坎高度1.5 m，尾坎高度7.0 m。其在消能防沖工況下雖能夠取得較好的消能效果，但消力池規(guī)模較大。體形改良后得到了前置摻氣坎階梯溢流壩方案。

前置摻氣坎：階梯溢流壩體形下下游階梯段流速按壩高近似計(jì)算接近30 m/s，高流速情況下階梯上水流紊動(dòng)劇烈，臺階立面易出現(xiàn)負(fù)壓，因此需設(shè)置前置摻氣坎進(jìn)行摻氣保護(hù)，消除下游出現(xiàn)的空化空蝕問題。參照類似工程摻氣坎應(yīng)設(shè)置在流速20 m/s左右(斷面作用水頭約25 m)的位置，針對此工程在樁號壩縱0+019.99(距堰頂24 m)處增設(shè)摻氣坎。鑒于水流單寬流量較小，F(xiàn)r較高，擬定摻氣坎挑坎高度0.3 m，坡度1∶10，通風(fēng)井尺寸為1.0 m×1.0 m。

調(diào)整段：調(diào)整段的長度由摻氣坎后空腔段+水流調(diào)整段?？涨欢伍L度計(jì)算參考文獻(xiàn)[6]。水流調(diào)整段長度近似取6～12倍坎頂水深，此處水深較小，水流調(diào)整段長度取3.0 m。整個(gè)調(diào)整段長度取16.0 m。

階梯段：從調(diào)整段末端至反弧段起始點(diǎn)為階梯段，階梯外包線與原光滑溢流壩底板相契合。從形成穩(wěn)定滑移流及工程運(yùn)行考慮，臺階高度一般取0.6～1.2 m，本工程擬定階梯高1.0 m，寬0.85 m，共設(shè)19級臺階。階梯段長度主要由壩高決定，壩高越高，階梯段長度越長，階梯段的相對消能率越高。

反弧段：反弧半徑應(yīng)取6～12倍的反弧段起點(diǎn)水深，此處擬定反弧半徑為15.0 m。

消力池：在試驗(yàn)過程中對新體形下的消力池尺寸進(jìn)行調(diào)整，使其在獲得較好的消能效果下盡量縮減消力池規(guī)模，最終得到的消力池尺寸為長度由55.60 m降至49.5 m，消力池底板上抬1.5 m至469.8 m高程，消力坎高度5.6 m(原尾坎高度7.0 m)。

2.2 各工況水力特性

2.2.1 水流流態(tài)

在各試驗(yàn)工況下，摻氣空腔穩(wěn)定，摻氣槽內(nèi)無積水，空腔長度約為11.0～12.0 m。水流經(jīng)2.0～3.0 m的光滑溢流壩過渡后流入階梯段。因摻氣坎強(qiáng)迫摻氣作用，在開始幾級臺階上水流摻氣充分。摻氣發(fā)展區(qū)的水流水深沿程增加，經(jīng)一定流程長度后水體變?yōu)樗畾饣旌系娜榘咨旌象w，階梯凹角產(chǎn)生旋滾，水深穩(wěn)定，水流摻氣充分形成均勻流。設(shè)計(jì)工況下階梯段水流流態(tài)見圖1；消力池水流流態(tài)見圖2。

圖1 設(shè)計(jì)工況階梯段水流流態(tài)

圖2 設(shè)計(jì)工況消力池水流流態(tài)

2.2.2 沿程水面線

在各個(gè)工況下，泄槽段由于增設(shè)摻氣挑坎以及下游段設(shè)置階梯，水深相比光滑溢流壩方案有所增加。階梯段摻氣發(fā)展區(qū)水深沿程增加；摻氣均勻區(qū)水深穩(wěn)定。

試驗(yàn)量測了不同單寬流量下階梯段摻氣發(fā)展區(qū)流程長度和摻氣均勻區(qū)的均勻流水深、流速，具體情況見表2。為統(tǒng)一量綱，用臨界水深hk描述單寬流量的變化。

式中，q為單寬流量，m3/s；g為重力加速度，取9.81，m/s2；動(dòng)能修正系數(shù)α取1。

為了探討不同單寬流量下階梯段摻氣發(fā)展區(qū)流程長度的變化規(guī)律，用L/hk這一無因次量進(jìn)行刻畫，具體如圖3所示。圖4為不同單寬流量下階梯溢流壩體形與光滑溢流壩體形水流達(dá)到均勻流時(shí)的水深對比情況。

表2 不同單寬流量階梯段各水力參數(shù)

注：K為摻氣發(fā)展區(qū)占階梯級數(shù)；L為摻氣發(fā)展區(qū)流程長度；ht、Vt分別為摻氣均勻區(qū)均勻流水深和平均流速。

圖3 不同單寬流量下L/hk的變化規(guī)律

圖4 不同單寬流量兩種體形均勻流水深變化規(guī)律

由圖3可以看出，不同單寬流量下L/hk約為5，即某單寬流量下，摻氣發(fā)展區(qū)長度約為臨界水深的5倍，這為階梯段的長度設(shè)計(jì)提供了參考。

由圖4可以得出，隨著單寬流量增大，階梯溢流壩階梯段均勻流水深近似線性增大；相同單寬流量下，階梯溢流壩相比光滑溢流壩均勻流水深有所增加，且單寬流量越大，水深增加越多。

針對本次試驗(yàn)，在單寬流量小于25 m3/(s·m)時(shí)，得出近似計(jì)算階梯段均勻流水深的經(jīng)驗(yàn)公式

2.2.3 沿程流速

在各工況下，測量了摻氣坎挑坎末端、階梯段、反弧段以及消力池的流速分布。相比于光滑溢流壩，階梯段消殺了大量的水流能量，從而減小入池流速，在設(shè)計(jì)工況入池流速為17.58 m/s，光滑溢流壩方案為29.73 m/s。設(shè)計(jì)工況下消力池底板流場圖見圖5。

圖5 下游流場(單位：流速m/s，尺寸cm)

圖關(guān)系曲線

通過以上得到的階梯段均勻流水深、流速與相應(yīng)單寬流量的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，參考“溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范”中有關(guān)消力池設(shè)計(jì)部分，即可近似獲得下游消力池的設(shè)計(jì)尺寸。

表3 各工況消能率

2.3 試驗(yàn)成果

2.3.1 消能率

消能率的計(jì)算采用底下消能率計(jì)算公式

從表3可知，隨著單寬流量增大，階梯消能率降低，且單寬流量低于25 m3/(s·m)時(shí)，階梯消能率近似線性變化。設(shè)計(jì)工況下(q=18.60 m3/(s·m))，階梯消能率為46.95%，整體消能率為83.33%。

圖7 單寬泄量與階梯段消能率關(guān)系曲線

2.3.2 消力池規(guī)模

2、自身方面。小學(xué)是一個(gè)比較特殊的成長階段，一般小學(xué)生的心理素質(zhì)都不夠強(qiáng)，自控能力也比強(qiáng)，如果遇到難度較大一點(diǎn)的問題，則可能出現(xiàn)畏懼、逃避、不自信和美元耐心等情況，從而產(chǎn)生自我懷疑的心理。

光滑溢流壩體形下，下游消力池尺寸為池長55.6 m，池深7.0 m，泄槽寬度10.5 m，計(jì)算得到消力池體積V1=4 086.6 m3；階梯溢流壩體形下消力池尺寸為池長49.5 m，池深5.6 m，計(jì)算得到體積V2=2 910.6 m3。消力池體積減小28.7%。

3 結(jié) 論

結(jié)合左柏水庫工程相關(guān)資料，通過對階梯溢流壩體形下的各水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)在小流量情況下，階梯溢流壩體形階梯段摻氣發(fā)展區(qū)流程長度約為相應(yīng)臨界水深的5倍。

(2)單寬流量小于25 m3/(s·m)時(shí)，獲得了階梯段均勻流水深、流速與相應(yīng)單寬流量的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，可為下游消力池尺寸設(shè)計(jì)提供參考。

(3)在小流量情況下，階梯消能工能夠獲得較高的消能率。試驗(yàn)測得19級階梯(1 m×0.85 m，高×寬)在單寬流量接近20 m3/(s·m)時(shí)，消能率接近50%。且單寬流量小于25 m3/(s·m)時(shí)，階梯消能率近似線性變化。

(4)階梯溢流壩體形下，下游消力池規(guī)模相比光滑溢流壩減小28.7%。單寬泄量低于30 m3/(s·m)且壩高大于60 m的水利工程，采用試驗(yàn)研究體形可顯著減小下游消力池規(guī)模。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊慶. 階梯溢流壩水力特性和消能機(jī)理試驗(yàn)研究[D]. 成都： 四川大學(xué), 2002．

[2] 田嘉寧.臺階式泄水建筑物水力特性試驗(yàn)研究[D]. 西安： 西安理工大學(xué), 2005．

[3] 陳群, 戴光清, 朱分清, 等. 影響階梯溢流壩消能率的因素[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2003(4): 96- 104．

[4] 伍平, 王波, 陳云良, 等. 階梯溢洪道不同坡比消能研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)： 工程科學(xué)版, 2012, 44(5): 24- 29．

[5] 彭勇, 張建民, 許唯臨, 等. 前置摻氣坎式階梯溢洪道摻氣水深及消能率計(jì)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2009, 20(1): 63- 68．

[6] 楊永森, 陳長植, 于琪洋. 摻氣槽上射流挾氣量的數(shù)學(xué)模型[J]. 水利學(xué)報(bào), 1996(3): 13- 21．

[7] 伍小玉, 張建民, 王曉安. 黃金坪水電站泄水建筑物布置優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電, 2016, 42(3): 31- 34．

[8] 唐 毅, 孫申登, 金利軍.階梯式消能工的試驗(yàn)研究及在南果河水電站的應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電, 1998(4)： 33- 35．

[9] 楊首龍. 寬尾墩一階梯式壩面一岸池聯(lián)合消能工的水力特性[J]. 水力發(fā)電, 1994(9): 29- 31．