挑坎摻氣在岔河水庫(kù)溢洪道中的應(yīng)用研究

余遠(yuǎn)浩，邱勇，李鑫，周鑫宇，劉云韓

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南昆明650201)

泄水建筑物高速水流所引起的空化問(wèn)題對(duì)其過(guò)流表面的破壞極其嚴(yán)重，不僅影響泄水建筑物的泄流能力，甚至?xí)鹦顾ㄖ镎饎?dòng)，導(dǎo)致工程破壞。應(yīng)用強(qiáng)迫摻氣降低空穴數(shù)以預(yù)防和減輕空蝕破壞在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。依托岔河水庫(kù)溢洪道，基于一定來(lái)流條件，在連接上下游泄水陡槽的拋物線段前后增設(shè)挑坎，對(duì)比分析不摻氣和強(qiáng)迫摻氣情況下坎后及下游泄槽空穴數(shù)和水流流態(tài)變化，對(duì)已建工程的運(yùn)行及管理具有很好的參考價(jià)值。

1 工程概況

岔河水庫(kù)位于云南省臨滄市云縣涌寶鎮(zhèn)浪壩山村，距縣城72 km。水庫(kù)坐落在瀾滄江流域右岸一級(jí)支流拿魚(yú)河上，主要承擔(dān)農(nóng)業(yè)灌溉及農(nóng)村人畜飲水。水庫(kù)控制徑流面積145 km2，總庫(kù)容4 906.20萬(wàn)m3。水庫(kù)校核洪水位(P=0.1%)1 823.220 m，相應(yīng)下泄流量160.00 m3/s；設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)1821.130 m，相應(yīng)下泄流量76.40 m3/s；消能防沖水位(P=3.33%)1 820.560 m，相應(yīng)下泄流量63.80 m3/s。水庫(kù)樞紐部分由攔河壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水放空隧洞組成。溢洪道布置于左岸靠近壩肩，由進(jìn)水明渠段、有閘控制段、收縮段、泄槽段(第一泄槽段、第二泄槽段)、出口底流消能段以及護(hù)坦段組成，全長(zhǎng)410.00 m。

第一泄槽段(溢0+107.645～溢0+285.286)底坡1∶11.4，第二泄槽段(溢0+305.286～溢0+397.416)底坡1∶1.5，泄槽出口為擴(kuò)散段(溢0+377.420～溢0+397.416)，后接消力池(溢0+397.416～溢0+435.416)以及尾水渠(溢0+435.416～溢0+465.416)。第一泄槽段和第二泄槽段采用拋物線段(溢0+285.286～溢0+305.286)銜接，拋物線段長(zhǎng)21.00 m，見(jiàn)圖1。

2 原設(shè)計(jì)體型存在的問(wèn)題

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

為便于描述泄槽拋物線段上下游水流變化情況，在拋物線及下游泄槽布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)：測(cè)點(diǎn)1位于拋物線起始端(溢0+285.286)，測(cè)點(diǎn)2位于拋物線末端(溢0+305.286)，測(cè)點(diǎn)3位于拋物線末端和擴(kuò)散段起始端的中間(溢0+338.547)，測(cè)點(diǎn)4布置于擴(kuò)散段起始端(溢0+377.420)，見(jiàn)圖2。

2.2 試驗(yàn)成果分析

通過(guò)模型試驗(yàn)，得到溢洪道原設(shè)計(jì)體型在特征流量下，拋物線段及下游泄槽段測(cè)點(diǎn)水力特性見(jiàn)表1。

表1 原體型設(shè)計(jì)泄槽段水力特性值

從表1可以看出，校核流量(Q=160.00 m3/s)情況下，拋物線下游泄槽擴(kuò)散段起始位置(溢0+377.420)4號(hào)測(cè)點(diǎn)處并未出現(xiàn)負(fù)壓，但空穴數(shù)僅為0.24，已經(jīng)小于0.30。分析其原因，在于溢洪道下泄水體流經(jīng)拋物線段時(shí)，主流呈明顯的“V”型向心集中水股，呈拋射狀跌落下游泄槽，軸線位置水深明顯大于左右兩側(cè)邊墻，橫斷面流速分布不均。

溢洪道下泄設(shè)計(jì)洪水(Q=76.40 m3/s)及消能防沖洪水(Q=63.80 m3/s)時(shí)，拋物線末端(溢0+305.286)2號(hào)測(cè)點(diǎn)處均出現(xiàn)負(fù)壓，但空穴數(shù)大于0.30；擴(kuò)散段起始位置(溢0+377.420)4號(hào)測(cè)點(diǎn)斷面空穴數(shù)回升。其原因在于，流量減小，拋物線段主流向心集中不明顯，水流流態(tài)改善，水體橫斷面水深分布較為均勻。

3 挑坎摻氣試驗(yàn)研究

3.1 挑坎體型及布置

針對(duì)溢洪道原設(shè)計(jì)體型，考慮在拋物線段上游側(cè)和下游側(cè)泄槽分別布置直線型摻氣挑坎見(jiàn)表2，固定挑角θ=5°，坎高Δ分別考慮0.40 m(方案一)、0.80 m(方案二)和1.20 m(方案三)，并在挑坎下游側(cè)近底板處設(shè)置半徑R=0.20 m的圓形摻氣孔。

表2 摻氣挑坎體型尺寸

上游側(cè)挑坎末端位于第一泄槽段與拋物線相切的位置(溢0+285.286)，下游側(cè)挑坎位于里程溢0+305.286處見(jiàn)圖3。

3.2 挑坎布置對(duì)下游泄槽水流流態(tài)的影響

挑坎布置于拋物線段下游側(cè)時(shí)見(jiàn)圖4，校核流量情況下，跌落狀“V”型向心水股流經(jīng)凸起的挑坎，流態(tài)進(jìn)一步惡化，幾呈分股狀出射，水舌最高可達(dá)2.50 m，股狀水流和空氣混摻明顯，摻氣水流跌落底板后，由于彈射形成散水(散水高度最高可達(dá)3.00 m)，里程溢0+338.547處(3號(hào)測(cè)點(diǎn))橫斷面水深分布極不均勻，下游泄槽段水流流態(tài)惡化加劇。

挑坎布置于拋物線段上游側(cè)，凸起的挑坎對(duì)第一泄槽段的來(lái)流部分起到調(diào)整作用，流經(jīng)拋物線段的水流流態(tài)得到一定程度上的改善，出射水流未見(jiàn)分股，散水現(xiàn)象[1,4-5]不明顯，相對(duì)于挑坎布置于拋物線段下游，泄槽水流流態(tài)相對(duì)平順。

3.3 挑坎體型對(duì)空穴數(shù)的影響

3.3.1未摻氣條件下泄槽下游水力特性

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.40 m)位于泄槽拋物線段上游側(cè)未摻氣時(shí)的水力特性見(jiàn)表3。

從表3可以看出，相同流量下，拋物線段下游泄槽流速均出現(xiàn)不同程度的下降，拋物線段壓強(qiáng)值減小，但其下游泄槽壓強(qiáng)出現(xiàn)回升。其中：拋物線起始位置(溢0+285.286)1號(hào)測(cè)點(diǎn)處射流空腔內(nèi)被回水充滿(mǎn)，但呈負(fù)壓狀態(tài)，空穴數(shù)盡管下降，仍大于0.3；拋物線末端(溢0+305.286)2號(hào)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化不明顯，但空穴數(shù)增大；4號(hào)測(cè)點(diǎn)(溢0+377.420)壓強(qiáng)增加，空穴數(shù)提高。特別地，Q=160.00 m3/s時(shí)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)處流速下降至24.16 m/s，空穴數(shù)由0.24增加到0.30；Q=76.40 m3/s時(shí)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)處壓強(qiáng)由0.043 kPa上升到0.263 kPa，空穴數(shù)上升到0.35。

表3 未摻氣條件下挑坎Δ=0.40 m(方案一)測(cè)點(diǎn)水力特性

結(jié)合流態(tài)分析，拋物線段上游側(cè)布置挑坎(Δ=0.40 m)，校核流量情況下，下泄水體挑射不明顯，坎后射流空腔充滿(mǎn)水體(1號(hào)測(cè)點(diǎn)呈負(fù)壓狀態(tài))。盡管主流仍呈“V”型向心集中水股，但兩側(cè)水股落點(diǎn)近于主流跌落位置，在坎后空腔形成反向摻氣水流，并可觀察到反向旋滾氣泡沿水舌底緣向下游流動(dòng)。拋物線段下游泄槽橫斷面水深分布相對(duì)均勻，水流流態(tài)總體較為平順，見(jiàn)圖5。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.80 m)位于泄槽拋物線段上游側(cè)未摻氣時(shí)的水力特性見(jiàn)表4。

表4 未摻氣條件下挑坎Δ=0.80 m(方案二)測(cè)點(diǎn)水力特性

表4可以看出，坎高增至0.80 m時(shí)，相同流量下，拋物線起始位置(溢0+285.286)1號(hào)測(cè)點(diǎn)處射流空腔內(nèi)同樣充滿(mǎn)回水，負(fù)壓值有所減小，空穴數(shù)繼續(xù)增大；拋物線末端(溢0+305.286)2號(hào)測(cè)點(diǎn)處壓強(qiáng)變化不明顯，但空穴數(shù)反而降低。

Q=160.00 m3/s，擴(kuò)散段起始位置(溢0+377.420)4號(hào)測(cè)點(diǎn)空穴數(shù)下降到0.25；Q=76.40 m3/s，4號(hào)測(cè)點(diǎn)處空穴數(shù)由0.35下降到0.29。說(shuō)明：由于坎高過(guò)高(Δ=0.80 m)，對(duì)下泄水體的擾動(dòng)加劇，水流分股明顯，但主流仍呈“V”型水股向心集中，跌落下游，射流空腔內(nèi)回水加劇，水股摻氣增加，跌落底板的水流彈射明顯，進(jìn)一步加劇了散水現(xiàn)象，惡化下游水流流態(tài)。

3.3.2強(qiáng)迫摻氣條件下泄槽下游水力特性

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[6]，為保證挑坎坎后空腔穩(wěn)定，通常在下游設(shè)置摻氣孔，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫摻氣。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.40 m)位于泄槽拋物線段上游側(cè)，摻氣條件下的測(cè)點(diǎn)水力特性見(jiàn)表5。

表5可以看出，相同流量下，拋物線起始位置(溢0+285.286)1號(hào)測(cè)點(diǎn)處射流空腔穩(wěn)定，相對(duì)于未設(shè)挑坎，壓強(qiáng)值有所下降，但空穴數(shù)增加；拋物線段下游泄槽(4號(hào)測(cè)點(diǎn))流速下降、壓強(qiáng)值增大，空穴數(shù)也有提高：Q=160.00 m3/s，擴(kuò)散段起始位置(溢0+377.420)4號(hào)測(cè)點(diǎn)處流速降至25.30 m/s，空穴數(shù)增加到0.27；Q=76.40 m3/s，4號(hào)測(cè)點(diǎn)處壓強(qiáng)值由0.043 kPa上升到0.085 kPa，空穴數(shù)增加到0.32。

表5 摻氣條件下挑坎Δ=0.40 m(方案一)測(cè)點(diǎn)水力特性

在挑坎(Δ=0.40 m)后增設(shè)摻氣孔，校核流量情況下，可明顯觀察到水舌下部形成穩(wěn)定的射流空腔，長(zhǎng)度達(dá)2.80 m，主流呈“V”型向心水股集中的現(xiàn)象較之未設(shè)挑坎更為明顯，呈拋射狀跌落下游，主流拋射高度可達(dá)2.40 m，而兩側(cè)邊墻附近水股挑射高度僅為1.00 m，橫斷面水深分布不均勻，下游泄槽散水現(xiàn)象明顯見(jiàn)圖6。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，得到不同特征流量下，挑坎(Δ=0.80 m)位于泄槽拋物線段上游側(cè)，摻氣條件下的測(cè)點(diǎn)水力特性見(jiàn)表6。

表6可以看出，坎高增至0.80 m，Q=160.00 m3/s時(shí)，擴(kuò)散段起始位置(溢0+377.420)4號(hào)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)值和空穴數(shù)變化并不明顯；Q=76.40 m3/s時(shí)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)值由0.085 kPa上升到0.128 kPa，但空穴數(shù)反而下降到0.29。

表6 摻氣條件下挑坎Δ=0.80 m(方案二)測(cè)點(diǎn)水力特性

校核流量情況下，水體挑射后水流分股加劇，主流仍呈“V”型向心水股集中，但挑射高度已接近設(shè)計(jì)邊墻頂部，橫斷面水深分布極不均勻，下游泄槽散水現(xiàn)象更為明顯，流態(tài)惡化加劇。

泄槽上游側(cè)布置挑坎(Δ=0.40 m)時(shí)，不摻氣條件下(表3)，下游泄槽空穴數(shù)上升；摻氣孔條件下(表5)，下游泄槽空穴數(shù)有所上升，但散水現(xiàn)象加劇下游水流流態(tài)紊亂。

此外，不管是否摻氣，當(dāng)Δ繼續(xù)增至1.20 m(方案三)時(shí)，測(cè)點(diǎn)空穴數(shù)未見(jiàn)明顯變化，但挑射水股水舌高度都較大，水流分股嚴(yán)重，散水已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)邊墻高度，下游水流流態(tài)更趨紊亂。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)岔河水庫(kù)溢洪道原設(shè)計(jì)體型，通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究，得出結(jié)論：挑坎布置于拋物線段下游側(cè)，水流經(jīng)過(guò)挑坎后，散水現(xiàn)象嚴(yán)重，流態(tài)紊動(dòng)劇烈；挑坎布置于拋物線段上游時(shí)，散水現(xiàn)象不明顯，水流流態(tài)相對(duì)良好。

對(duì)于上游挑坎，坎高Δ=0.40 m，未摻氣條件下，坎后射流空腔內(nèi)充滿(mǎn)回水，下游泄槽段壓強(qiáng)值增大，空穴數(shù)提高；坎高增大至0.80 m，下游泄槽段壓強(qiáng)值出現(xiàn)小幅跳躍，但空穴數(shù)有所減小。摻氣條件下(坎高Δ=0.40 m)，坎后形成穩(wěn)定的射流空腔，下游泄槽段負(fù)壓消失，空穴數(shù)有所增加；坎高增至0.80 m，下游泄槽段壓強(qiáng)變化不穩(wěn)定，空穴數(shù)減小，但幅度降低。此外，挑坎高度0.40 m,未摻氣時(shí)，下游泄槽水流流態(tài)相對(duì)平順；摻氣條件下，受拋物線段水流流態(tài)影響，下游泄槽水流紊動(dòng)加劇。

綜上所述，對(duì)于岔河水庫(kù)溢洪道，在未摻氣條件下，拋物線段上游側(cè)布置Δ=0.4 m的摻氣挑坎，下游泄槽水流流態(tài)相對(duì)平順，空穴數(shù)提高，可以一定程度上緩解泄槽下游段存在的空化問(wèn)題。