對(duì)溢流壩模型下游動(dòng)定床試驗(yàn)的研究

張 楊，胡海松，伍學(xué)文，柳 滔

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景及意義

目前對(duì)于溢流壩挑流沖刷的試驗(yàn)已有眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，如常云華等[1]通過建立水工物理模型,對(duì)溢流壩在不同運(yùn)行條件下的水流流態(tài)進(jìn)行了觀測，對(duì)其在下游河床和兩岸山體造成的沖刷問題進(jìn)行了研究；曹剛[2]通過水工模型試驗(yàn)成果的分析,對(duì)白石水庫溢流壩進(jìn)行了多種消能工型式研究；陳燦輝[3]較好地解決了溢流壩較窄河床下游溢洪與消能防沖。然而到目前為止，針對(duì)河道下游沖刷的動(dòng)定床試驗(yàn)對(duì)比研究的理論成果還是很少，河道下游沖刷的動(dòng)床、定床試驗(yàn)研究的成果對(duì)于河道下游是否需要建立消力池有很大的研究價(jià)值。因此針對(duì)某實(shí)際工程建立水工物理模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比動(dòng)定床下游沖刷的情況而得出相應(yīng)的結(jié)論具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用意義。

2 工程概況及研究內(nèi)容

2.1 工程概況

某工程水庫大壩是溢流壩型式，壩頂高程為560 m，壩河床建基面高程為520 m，上游河段長200 m，下游河道長400 m。溢流堰布置在大壩中部，堰頂高程550 m，堰上設(shè)5孔6 m×3 m(寬×高)的閘門，在堰上布置平板閘門。

2.2 研究內(nèi)容

本文主要根據(jù)實(shí)際工程建立物理模型進(jìn)行定床和動(dòng)床的試驗(yàn)研究，分別設(shè)置Q=800 m3/s、Q=1200 m3/s、Q=1600 m3/s三種工況，觀測下游定床和動(dòng)床各斷面的流速變化情況。

3 模型試驗(yàn)研究

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

圖1 模型三維布置圖

模型試驗(yàn)采用恒定流的試驗(yàn)方法，以壩下500 m 處的水位測站作為模型水位的控制站。為控制和測量試驗(yàn)河段的流速變化，在整個(gè)試驗(yàn)河段以壩軸線為中心，在下游河道布置了3個(gè)固定流速測量斷面，模型三維布置如圖1所示。通過觀測溢流壩下游河道在兩種不同的工況下流速分布情況，分析下游河岸坡和河道是否需要修建消力池來滿足工程消能。在定床和動(dòng)床條件下，利用模型上游庫首的矩形量水堰來控制模型試驗(yàn)流量，針對(duì)流量分別為800 m3/s、1200 m3/s、1600 m3/s時(shí)，進(jìn)行了相關(guān)水力學(xué)的試驗(yàn)研究，為測試敞泄泄流定床和動(dòng)床條件下下游流速矢量分布，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膲屋S線下游布置的流速測量斷面分別距壩軸線下游100 m處、距壩軸線下游150 m處、距壩軸線下游200 m處；分別用數(shù)字表示下游3個(gè)流速觀測斷面，采用光電式旋槳流速儀測得下游各斷面流速分布情況。

4.1 定床試驗(yàn)

在定床條件下(即假定下游河床在泄洪時(shí)不會(huì)發(fā)生沖刷變形)，由于挑射水流下泄的能量巨大，巨大的能量直接沖入下游河道，而下游河道又缺少相應(yīng)的消能設(shè)施，致使下游河道水位較天然河道的水位有較大的下降，這種水位的下降，隨著下泄流量的增加而更加顯著，此時(shí)測得下游各斷面流速分布情況如表1所示。

表1 在定床條件時(shí)下游各斷面流速分布情況

試驗(yàn)成果表明：定床條件下，當(dāng)敞泄流量相同，斷面位置距離壩軸線下游處也相同時(shí)，不同觀測點(diǎn)處的相應(yīng)的觀測流速也不同；當(dāng)敞泄流量相同時(shí)，斷面位置距離壩軸線下游處越遠(yuǎn)，相應(yīng)的觀測流速也就越??；當(dāng)斷面位置距離壩軸線下游處相同時(shí)，敞泄流量越大，對(duì)應(yīng)的觀測流速也越大。另外由于挑射水流直接將巨大的能量導(dǎo)入下游，致使下游水位較低，河道里的流速極大，尤其壩下100 m范圍內(nèi)流速普遍較大。

4.2 動(dòng)床試驗(yàn)

模擬動(dòng)床試驗(yàn)時(shí)，由于下游河道采用局部動(dòng)床進(jìn)行試驗(yàn)，溢流壩泄洪時(shí)，挑射水流下泄的巨大能量使壩下河道地形發(fā)生了巨大的變化，也使壩下河道的沿程水位較天然河道水位形成了較大的調(diào)整，此時(shí)測得下游各斷面流速分布情況如表2所示。

表2 在動(dòng)床條件時(shí)下游各斷面流速分布情況

試驗(yàn)成果表明：局部動(dòng)床條件下，在挑射水流巨大能量沖擊下，下游河道的地形發(fā)生了較大的變化，也使壩下河道的流速分布發(fā)生了較大的變化。動(dòng)床條件下，當(dāng)敞泄流量相同、斷面位置距離壩軸線下游處也相同時(shí)，不同觀測點(diǎn)處的相應(yīng)的觀測流速不同；當(dāng)敞泄流量相同時(shí)，斷面位置距離壩軸線下游處越遠(yuǎn)，相應(yīng)的觀測流速也就越??；當(dāng)斷面位置距離壩軸線下游處相同時(shí)，敞泄流量越大，對(duì)應(yīng)的觀測流速也越大。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種流量下的試驗(yàn)，動(dòng)床和定床下游流速有一定的差別，動(dòng)床的各測點(diǎn)平均流速均小于定床的各測點(diǎn)平均流速，同時(shí)相對(duì)定床的流速波動(dòng)比較小，動(dòng)床能起到消能作用。

(2)在類似于此類工程中，為保護(hù)壩址穩(wěn)定和河道不被沖刷，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，以此來確定是否需要在下游河道修建消力池。

(3)在實(shí)際工程案例中，無論是動(dòng)床還是定床的下游流速都可以通過控制它的下泄流量來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)到滿足實(shí)際情況的需求值。

[1] 常云華,楊敏. 上溝水電站溢流壩水工模型試驗(yàn)報(bào)告[R]. 長春:長春工程學(xué)院水利與環(huán)境學(xué)院,2000.

[2] 曹剛. 白石水庫溢流壩消能型式研究[R]. 南京:河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,2006.

[3] 陳燦輝.黃蜂斗水電站溢流壩挑流消能試驗(yàn)研究:“第十三屆全國水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)”論文集[C].北京:海洋出版社,1999.

[4] 姜國干,陳椿庭. 水工模型試驗(yàn)[M]. 北京:水利電力出版社,l984．

[5] 毛野. 水工定床模型相似度的研究[J]. 水利學(xué)報(bào),2002,33(7)：64-69．

[6] 夏毓常,張黎明. 水工水力學(xué)原型觀測與模型試驗(yàn)[M]. 北京:中國電力出版社,1999．