龍英水庫溢流壩導(dǎo)墻收縮角對(duì)泄流水力特性影響試驗(yàn)研究

肖天培，張小飛，黃佳敏，覃 培

（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530000）

0 引言

龍英水庫位于廣西西林縣龍英河上，是一座以供水為主，兼顧下游農(nóng)村人飲水及改善下游灌溉的山區(qū)水庫，主要建筑物有河床溢流壩及左右岸擋水重力壩，壩頂全長151.5 m，最大壩高53.16 m。溢流壩全長46 m，共布置4孔，每孔凈寬10 m，為開敞式溢流堰，堰頂高程870 m，下游堰面曲線采用WES曲線，直線段坡比為1∶0.7。大壩消能方式采用挑流消能，采用連續(xù)式鼻坎，鼻坎頂高程為837 m，反弧半徑為10 m，挑射角取30°。由于下游河道寬僅25 m左右，為避免水流沖刷岸坡，溢流壩兩側(cè)導(dǎo)墻要向內(nèi)收縮，初步設(shè)計(jì)將溢流壩兩側(cè)導(dǎo)墻各向內(nèi)收縮25.9°，并在反弧段設(shè)置長為10 m 的調(diào)直段，調(diào)直段與鼻坎連接，鼻坎前沿寬度20 m。龍英水庫溢流壩導(dǎo)墻收縮角遠(yuǎn)大于常見范圍。

由于泄洪時(shí)溢流壩壩面流速較高，導(dǎo)墻收縮會(huì)引起下泄水流產(chǎn)生沖擊波，沖擊波會(huì)造成過水?dāng)嗝嫠髁髁糠植疾痪鶆?，增加?dǎo)墻的高度，惡化流態(tài)，產(chǎn)生空化、霧化[1]，影響下游消能防沖，甚至?xí)斐山ㄖ锏钠茐摹?duì)邊墻收縮產(chǎn)生的急流沖擊波，國內(nèi)外的許多學(xué)者進(jìn)行了大量的理論研究和模型試驗(yàn)，取得了較豐富的成果，黃智敏等[2]、劉亞坤等[3,4]研究了急流沖擊波下的水深，但未說明其流態(tài)；黃細(xì)彬[5，6]研究了小偏轉(zhuǎn)角下考慮底面坡度影響時(shí)沿程急流佛汝德數(shù)及水深的計(jì)算方法；田嘉寧等[7]研究了中等半徑大偏轉(zhuǎn)角彎道的水流特性；胡甫圣等[8]進(jìn)行溢洪道急流收縮段優(yōu)化模型試驗(yàn)研究，提出消除急流收縮段沖擊波的優(yōu)化方案。但目前尚未見到收縮角大于20°的急流收縮段的研究成果；基于此，本文通過水工模型試驗(yàn)，研究龍英水庫溢流壩導(dǎo)墻收縮角對(duì)溢流壩水流水力特性及挑流消能的影響，為龍英水庫溢流壩導(dǎo)墻收縮角的優(yōu)化及同類工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

1.1 模型設(shè)計(jì)

龍英水庫水工模型試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用正態(tài)整體水工模型，模型幾何比尺采用Lr=80，其它水力要素比尺按《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155-2012）重力相似準(zhǔn)則的要求確定，具體如下：

流量比尺：Qr=Lr5/2=57 243.34

流速比尺：Vr=Lr1/2=8.9 443

時(shí)間比尺：Tr=Lr1/2=8.9 443

糙率比尺：nr=Lr1/6=2.0 758

為了測量不同斷面的水深變化，沿堰面從堰頂依次布置堰頂、直線段中點(diǎn)、直線段與反弧段交點(diǎn)、挑坎最低點(diǎn)、挑坎末端5個(gè)測點(diǎn)量測水深，測點(diǎn)布置如圖1。

測量主要儀器設(shè)備：流速量測采用LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀，脈動(dòng)壓力量測采用DJ800 多功能監(jiān)測系統(tǒng)，時(shí)均動(dòng)水壓力量測采用連通測壓管。

圖1 水深測點(diǎn)布置圖

1.2 試驗(yàn)方案

為了對(duì)比分析導(dǎo)墻收縮角對(duì)泄流流態(tài)的影響，導(dǎo)墻收縮角擬定了5°、7°、10°、15°、20°和25°六個(gè)試驗(yàn)方案。對(duì)不同導(dǎo)墻收縮角方案分別測試了包括校核洪水（Q=837 m3/s）、設(shè)計(jì)洪水（Q=574 m3/s）和消能防沖設(shè)計(jì)洪水（Q=464 m3/s）在內(nèi)的9 個(gè)流量（見表1）。

2 試驗(yàn)觀測與分析

龍英水庫試驗(yàn)研究，對(duì)不同導(dǎo)墻收縮角方案分別觀測了包括校核洪水、設(shè)計(jì)洪水和消能防沖設(shè)計(jì)洪水在內(nèi)的9個(gè)流量下堰面水流流態(tài)、流速、時(shí)均動(dòng)水壓力、堰面水深和挑距，限于篇幅，本文只對(duì)下泄校核洪水、設(shè)計(jì)洪水和消能防沖設(shè)計(jì)洪水時(shí)的堰面水流流態(tài)、流速、水深和挑距進(jìn)行分析。

2.1 導(dǎo)墻收縮角對(duì)水流流態(tài)的影響

導(dǎo)墻收縮角分別為5°、7°、10°、15°、20°、25°，敞泄校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、消能防沖設(shè)計(jì)洪水時(shí)，過壩水流在堰頂處流速在5.5～7.5 m/s之間，挑坎反弧段的流速在16.5～20.5 m/s 之間。由于溢流壩下游堰面水流流速大，相應(yīng)的弗勞德數(shù)Fr 較大，導(dǎo)墻收縮產(chǎn)生的沖擊波的傳播速度遠(yuǎn)小于水流流速，沖擊波的波角小，沖擊波只沿導(dǎo)墻邊向下游傳播，對(duì)非緊鄰導(dǎo)墻的水流流態(tài)影響不大。當(dāng)導(dǎo)墻收縮角為5°、7°、10°，敞泄校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、消能防沖設(shè)計(jì)時(shí)，挑坎處水流沒有出現(xiàn)交叉碰撞，挑流水舌穩(wěn)定；導(dǎo)墻收縮角為15°時(shí)，由收縮導(dǎo)墻產(chǎn)生的左右兩股水流在挑坎下游出現(xiàn)交叉碰撞，但挑流水舌基本穩(wěn)定；導(dǎo)墻收縮角為20°和25°時(shí)收縮導(dǎo)墻引起的左右兩股水流在挑坎處出現(xiàn)較強(qiáng)烈的交叉碰撞，碰撞后的挑流水舌不穩(wěn)定，形成向上、左右擺動(dòng)的水流，左右擺動(dòng)的水流會(huì)拍打和沖刷下游兩岸。下泄設(shè)計(jì)洪水收縮角為10°、15°、25°時(shí)的流態(tài)分別見圖2～圖4。

表1 模型試驗(yàn)測試流量

圖2 導(dǎo)墻收縮角為10°時(shí)的流態(tài)

圖3 導(dǎo)墻收縮角為15°時(shí)的流態(tài)

圖4 導(dǎo)墻收縮角為25°時(shí)的流態(tài)

2.2 導(dǎo)墻收縮角對(duì)導(dǎo)墻處水深的影響

導(dǎo)墻收縮角分別為5°、7°、10°、15°、20°、25°，敞泄校核洪水、設(shè)計(jì)洪水和消能防沖設(shè)計(jì)洪水時(shí)，溢流壩面沿程水深試驗(yàn)結(jié)果分別見表2～表7。由于導(dǎo)墻收縮產(chǎn)生的沖擊波只沿導(dǎo)墻邊向下游傳播，對(duì)溢流壩泄流和非緊鄰導(dǎo)墻處的水流水深影響不大；導(dǎo)墻處水流受導(dǎo)墻阻擋產(chǎn)生水躍，躍起的水流沿導(dǎo)墻邊壁向下游流動(dòng)，由于受導(dǎo)墻阻擋產(chǎn)生躍起的水流不斷加入，沿導(dǎo)墻邊壁向下游流動(dòng)的水流不斷增加，水深也增加，水深在收縮段出口處附近達(dá)到最大。在同一流量下，同一斷面左右導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)的水深與溢流壩中線處水深的差值隨導(dǎo)墻收縮角的增大而增加，收縮角為5°和7°時(shí)中線處水深與左右導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)處的水深相差較小，收縮角大于10°時(shí)水深差出現(xiàn)明顯增加，說明收縮角小于7°時(shí)，導(dǎo)墻收縮產(chǎn)生的沖擊波相對(duì)較弱，沖擊波在緊鄰導(dǎo)墻處產(chǎn)生的水面壅高較小，而收縮角大于10°時(shí)，導(dǎo)墻收縮產(chǎn)生的沖擊波相對(duì)較強(qiáng)，沖擊波在緊鄰導(dǎo)墻處產(chǎn)生的水面壅高較大。

表2 導(dǎo)墻收縮角為5°時(shí)溢流壩面沿程水深試驗(yàn)結(jié)果

表3 導(dǎo)墻收縮角為7°時(shí)溢流壩面沿程水深試驗(yàn)結(jié)果

表4 導(dǎo)墻收縮角為10°時(shí)溢流壩面沿程水深試驗(yàn)結(jié)果

表5 導(dǎo)墻收縮角為15°時(shí)溢流壩面沿程水深試驗(yàn)結(jié)果

表6 導(dǎo)墻收縮角為20°時(shí)溢流壩面沿程水深試驗(yàn)結(jié)果

表7 導(dǎo)墻收縮角為25°時(shí)溢流壩面沿程水深試驗(yàn)結(jié)果

表8 不同收縮角時(shí)溢流壩挑流挑距試驗(yàn)結(jié)果

2.3 導(dǎo)墻收縮角對(duì)挑流挑距的影響

試驗(yàn)量測了龍英水庫溢流壩導(dǎo)墻收縮角分別為5°、7°、10°、20°、25°，敞泄校核洪水、設(shè)計(jì)洪水、消能防沖設(shè)計(jì)洪水時(shí)的挑流挑距，量測結(jié)果見表8。

從表8 可以看出，龍英水庫溢流壩導(dǎo)墻收縮角大小對(duì)溢流壩挑流挑距的影響不大，下泄相同流量時(shí)，收縮角分別為5°、7°、10°時(shí)的挑距試驗(yàn)結(jié)果很接近，收縮角為20°、25°時(shí)的挑距試驗(yàn)結(jié)果比5°、7°、10°時(shí)的結(jié)果略有減小，相差不大，最大差值為下泄消能防沖設(shè)計(jì)時(shí)的2.4 m。

3 結(jié)論

本文通過水工模型試驗(yàn)，研究龍英水庫溢流壩不同收縮角的導(dǎo)墻對(duì)大壩泄流水力特性以及挑流消能的影響，得出如下結(jié)論：

（1）導(dǎo)墻收縮角大于20°時(shí)，需要采用工程措施改善挑坎處流態(tài)，改善挑流水舌的形態(tài)和穩(wěn)定性，減小霧化，減輕水流對(duì)下游的沖刷。

（2）在同一流量下，同一斷面左右導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)的水深與溢流壩中線處水深的差值隨導(dǎo)墻收縮角的增大而增加，收縮角為5°和7°時(shí)中線處水深與左右導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)處的水深相差較小，收縮角大于10°時(shí)水深差出現(xiàn)明顯增加。說明收縮角小于7°時(shí)，導(dǎo)墻收縮產(chǎn)生的沖擊波相對(duì)較弱，沖擊波在緊鄰導(dǎo)墻處產(chǎn)生的水面壅高較小，而收縮角大于10°時(shí)，導(dǎo)墻收縮產(chǎn)生的沖擊波相對(duì)較強(qiáng)，沖擊波在導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的水面壅高較大。

（3）溢流壩導(dǎo)墻收縮角大小對(duì)溢流壩挑流挑距的影響不大。