WFH雙級(jí)跌水體型設(shè)計(jì)

張 玲

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

WFH工程由分洪渠首、分洪渠道、渠系建筑物、交通建筑物及管理站組成，渠系建筑物由箱涵、跌水、消力池和防洪、排洪建筑物組成。

分洪渠首總體布置：從右岸至左岸分別布置3孔7.0 m凈寬引洪閘，1孔5.0 m凈寬沖沙閘、4孔7.5 m凈寬泄洪閘、320 m長(zhǎng)土石壩段［1］。

分洪工程渠道總長(zhǎng)為34.884 km（其中樁號(hào)2+100～4+540 為箱涵式暗渠，明渠長(zhǎng)度為32.444 km），渠道設(shè)計(jì)流量100 m3/s，起點(diǎn)渠底高程為1 257.20 m，末點(diǎn)渠底高程為1 092.181 m，高差165.019 m。

渠系建筑物有箱涵（11 座）、單級(jí)跌水（16 座）、雙級(jí)跌水（4 座）、消力池（2 座）及排洪防洪建筑物，其中排洪防洪建筑物包括涵頂過(guò)洪建筑物（4 座），排洪渡槽（34座）、納洪口（1座）、防洪堤。由于渠道縱坡比較大，所以渠道全線由多級(jí)跌水階梯組成，每級(jí)跌水分為單級(jí)跌水和雙級(jí)跌水兩種情況。

2 模型試驗(yàn)主要研究?jī)?nèi)容與測(cè)試方法

按照雙級(jí)跌水初步擬定的體型，設(shè)計(jì)流量為100 m3/s 時(shí)觀測(cè)雙級(jí)跌水進(jìn)水口、消力池和出水口的流態(tài)（包括水位和流速分布）。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出消力池的消能率，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)體型進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證雙級(jí)跌水體型設(shè)計(jì)的合理性，給出建議體型，提出優(yōu)化修改建議，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

模型進(jìn)口流量用電磁流量計(jì)控制，上游河道水位采用水位測(cè)針測(cè)量（最小讀數(shù)精度為0.10 mm）；流速采用LS-401旋漿流速儀測(cè)讀；水深測(cè)量選用鋼尺（最小讀數(shù)精度為1.00 mm）；水流流態(tài)、流場(chǎng)觀測(cè)采用數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)錄制。試驗(yàn)設(shè)備和量測(cè)技術(shù)條件均滿足《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》（SL155-2012）［2］要求。

3 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)要求及弗勞德重力相似和阻力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型［3］，模型比尺為L(zhǎng)p/Lm=λL=20.00，同理模型流速比尺、流量比尺、糙率比尺、時(shí)間比尺分別為4.47、1 789.00、1.65、4.47。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)方提供的圖紙制作正態(tài)單體模型，模型范圍包括閘前河道、分洪閘、渠道、雙級(jí)跌水和單級(jí)跌水、下游渠道，模型總長(zhǎng)40.00 m。為了滿足糙率相似要求，分洪閘和跌水均采用有機(jī)玻璃制作，分洪閘前河道和渠道底部弧形部分均采用水泥砂漿粉制，并進(jìn)行粗化處理來(lái)模擬原型漿砌卵石的糙率，渠道兩側(cè)上邊坡采用有機(jī)玻璃制作模擬襯砌混凝土板的糙率。

4 雙級(jí)跌水初始設(shè)計(jì)

4.1 雙級(jí)跌水初始設(shè)計(jì)基本參數(shù)

雙級(jí)跌水設(shè)計(jì)尺寸：一級(jí)跌水深度P1為3.6 m，跌水寬10 m，池深S1為1.1 m，池長(zhǎng)L1為30 m；二級(jí)跌水深度P2為3.6 m，池深S2為1.1 m，池長(zhǎng)L2為30 m，跌水上下游渠道采用弧形底斷面，兩邊坡是1∶1.75 的渠道，渠道坡度i為0.004。跌水與上下游渠道通過(guò)扭曲漸變段連接，扭曲漸變段長(zhǎng)度為15 m，跌水上游漸變段是由復(fù)合型渠道型式漸變?yōu)?0 m寬的矩形。雙級(jí)跌水平面圖見(jiàn)圖1，剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 雙級(jí)跌水平面圖

圖2 雙級(jí)跌水剖面圖

4.2 設(shè)計(jì)流量試驗(yàn)成果

設(shè)計(jì)流量100 m3/s 時(shí)，該雙級(jí)跌水體型在一級(jí)跌水消力池內(nèi)為急流，不能形成水躍，一級(jí)池內(nèi)流速在10 m/s 左右，二級(jí)池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍，經(jīng)過(guò)計(jì)算，雙級(jí)跌水消能率約為51.8%。消力池利用水流跌水和產(chǎn)生的水躍消能，消力池消能效果的好壞可用消能率k的大小來(lái)判斷［4］，其計(jì)算公式為：

式中：k為消能率，%；E0為以下游漸變段底板起算的上游總水頭，E0=Z0+v02/2g，m；Et為消力池后剩余總水頭，Et=Zt+v02/2g，m；Z0、Zt分別為上、下游斷面水頭，m；v0、vt為上、下游斷面平均流速，m/s。Q=100 m3/s時(shí)雙級(jí)跌水池內(nèi)沿程水深和流速統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

表1 Q=100 m3/s時(shí)雙級(jí)跌水水深和流速統(tǒng)計(jì)表

位置 距離/m 水深/m 斷面中垂線平均流速/（m/s）9.73一級(jí)消力池內(nèi)8.82一級(jí)池尾坎頂7.01 3.19二級(jí)消力池內(nèi)漸變扭曲段起點(diǎn)漸變段漸變扭曲段末端16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 30.0 34.0 38.0 41.0 42.0 45.2 46.5 48.0 50.0 52.0 54.8 58.0 62.0 66.0 70.0 74.0 75.0 78.0 82.0 86.0 90.0 4.74 3.50 2.00 1.00 0.80 0.90 0.90 1.06 1.20 1.00 1.12 1.46 1.20 3.80 3.70 3.20 3.60 4.20 4.40 4.60 4.66 4.66 3.40 3.50 3.40 3.30 3.16 2.64 3.63

水流由渠道經(jīng)過(guò)扭曲漸變段進(jìn)入跌水池內(nèi)，在跌坎上游形成降水曲線，渠道內(nèi)水深2.84 m，跌坎斷面上水深減小至1.4 m，跌坎斷面中心垂線平均流速為7.0 m/s。一級(jí)池內(nèi)水深在1 m 左右，池內(nèi)底部最大流速達(dá)到10.02 m/s。一級(jí)池尾坎斷面水深為1.2 m左右，尾坎頂部斷面中心垂線平均流速為7.01 m/s。二級(jí)池內(nèi)水深為3.2～4.7 m，池內(nèi)流速明顯小于一級(jí)池。雙級(jí)跌水水面線與垂線流速分布圖見(jiàn)圖3。

圖3 Q=100 m3/s時(shí)雙級(jí)跌水水面線與流速分布圖

4.3 小流量試驗(yàn)成果

小流量（40 m3/s）時(shí)，該雙級(jí)跌水體型在一級(jí)跌水消力池和二級(jí)消力池內(nèi)都可以形成完整水躍，一級(jí)池內(nèi)水深為0.8～2.5 m，二級(jí)池內(nèi)水深為3.0～3.62 m。Q=40 m3/s 時(shí)雙級(jí)跌水池內(nèi)沿程水深統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2，雙級(jí)跌水水面線分布圖見(jiàn)圖4。

表2 Q=40 m3/s時(shí)雙級(jí)跌水池內(nèi)沿程水深統(tǒng)計(jì)表 m

位置 距離 水深一級(jí)池尾坎頂二級(jí)消力池內(nèi)漸變扭曲段起點(diǎn)漸變段漸變扭曲段末端24.0 28.0 34.0 38.0 45.2 46.5 47.0 48.0 49.0 54.0 60.0 66.0 74.0 75.0 82.0 86.0 90.0 1.70 2.32 2.40 2.46 2.50 1.16 4.56 3.70 3.00 3.10 3.46 3.62 3.50 2.34 2.34 2.26 2.20

圖4 Q=40 m3/s時(shí)雙級(jí)跌水水面線分布圖

4.4 雙級(jí)跌水初始設(shè)計(jì)結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：雙級(jí)跌水初始設(shè)計(jì)體型，水流由渠道經(jīng)過(guò)扭曲漸變段進(jìn)入跌水池內(nèi)，在跌坎上游形成降水曲線，在小流量（40 m3/s）時(shí)池內(nèi)可以形成完整水躍，在設(shè)計(jì)流量100 m3/s 時(shí)一級(jí)池內(nèi)不能形成水躍，不滿足形成水躍條件。試驗(yàn)認(rèn)為，該雙級(jí)跌水設(shè)計(jì)難以滿足消能要求，建議改變?cè)O(shè)計(jì)體型。

5 雙級(jí)跌水修改方案

5.1 雙級(jí)跌水修改方案基本參數(shù)

修改后雙級(jí)跌水尺寸為：一級(jí)跌水深度P1為3.6 m，跌坎入水寬度為7 m，一級(jí)池寬仍然為10 m，池深S1為1.24 m，池長(zhǎng)L1為30 m，一級(jí)池尾坎頂部寬度為4.2 m；二級(jí)跌水深度P2為3.74 m，池深S2為1.1 m，池長(zhǎng)L2為30 m，修改后雙級(jí)跌水平面圖見(jiàn)圖5，剖面圖見(jiàn)圖6。

圖5 修改后雙級(jí)跌水平面圖

圖6 修改后雙級(jí)跌水剖面圖

5.2 設(shè)計(jì)流量試驗(yàn)成果

設(shè)計(jì)流量100 m3/s時(shí)，修改后雙級(jí)跌水體型跌坎斷面水深為2.2 m，跌水入池后向兩側(cè)擴(kuò)散，池內(nèi)兩側(cè)水流向池中間翻滾，一級(jí)池內(nèi)可以形成水躍，池內(nèi)水深為2.1～4.1 m；二級(jí)池內(nèi)為淹沒(méi)水躍，池內(nèi)水深為3.4～4.7 m，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析兩級(jí)跌水消能率約為53.3%。修改后雙級(jí)跌水池內(nèi)沿程水深和流速統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表3［5］，修改后雙級(jí)跌水水面線與垂線流速分布圖見(jiàn)圖7。

表3 Q=100 m3/s時(shí)修改后雙級(jí)跌水池內(nèi)沿程水深和流速統(tǒng)計(jì)表

位置 距離/m 水深/m 斷面中垂線平均流速/（m/s）漸變扭曲段起點(diǎn)2.64漸變段漸變扭曲段末端75.0 80.0 82.0 86.0 90.0 3.40 3.30 3.40 3.30 3.30 3.30

圖7 Q=100 m3/s雙級(jí)跌水修改方案水面線及流速分布圖

6 結(jié)論

多級(jí)跌水消能的跌落水舌長(zhǎng)度由公式計(jì)算的長(zhǎng)度與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的長(zhǎng)度有偏差［7］，導(dǎo)致各級(jí)消力池的水躍淹沒(méi)度均偏大，使消能作用減弱，在試驗(yàn)中對(duì)各級(jí)消力池尾坎進(jìn)行優(yōu)化，從而改善了各級(jí)消能工的消能效果。

WFH工程雙級(jí)跌水體型優(yōu)化后，一級(jí)跌坎入水寬度為7 m，跌水深度為3.6 m，池深為1.24 m，池長(zhǎng)為30 m，一級(jí)池尾坎頂部寬度為4.2 m；二級(jí)跌水深度為3.74 m，池深為1.1 m，池長(zhǎng)為30 m。在設(shè)計(jì)流量100 m3/s下，雙級(jí)跌水池內(nèi)均能形成水躍，兩級(jí)跌水消能率約為53.3%。