臺(tái)階溢洪道與錐形閥泄放管泄洪消能試驗(yàn)研究

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

近年來臺(tái)階溢洪道作為泄水建筑物得到廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)光滑溢洪道相比，其突出特點(diǎn)是使下泄水流逐級摻氣、減速，消能率高[1]。下泄水流經(jīng)臺(tái)階溢洪道時(shí)，在臺(tái)階內(nèi)形成旋滾水流，水流的劇烈紊動(dòng)、剪切作用造成了能量的損耗，達(dá)到消能目的，使進(jìn)入下游河道的水流流速降低，從而減小下游消能防沖設(shè)施的尺寸和范圍。國內(nèi)外學(xué)者們對臺(tái)階消能工進(jìn)行過大量的試驗(yàn)研究。田嘉寧等[2]通過試驗(yàn)對臺(tái)階上不同流態(tài)的比能和消能率進(jìn)行了研究；程文磊等[3]研究了階梯溢流壩采用前置摻氣坎+調(diào)整段+階梯段+反弧段+消力池體型的水力特性，在單寬流量較小時(shí)，可以顯著減小消力池規(guī)模；杜金威等[4]通過試驗(yàn)得出采用臺(tái)階溢洪道+消力池消能工體型，臺(tái)階溢洪道的消能率在聯(lián)合消能工中的占比較高。

錐形閥一般應(yīng)用于較高水頭、大流量下的消能控流工作。通過閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)使水流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、紊動(dòng)，出流呈輻射形散射，形成寬廣的錐形擴(kuò)散水流。擴(kuò)散水流與空氣之間相互摩擦、摻氣而消除部分能量。喻哲欽等[5]、秦武等[6]為提高消能效果對錐形閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，李翠艷等[7]對水庫輸水洞平板閘門改建為錐形閥后的消力池進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，羅毅等[8]對錐形閥在輸水管道中的消能效果進(jìn)行了探討。但鮮有前人對錐形閥出流直接拋射至下游河道進(jìn)行試驗(yàn)研究。

本文所述工程若采用平滑溢洪道+泄水底孔作為主要泄水建筑物，為減小水流下泄余能，溢洪道一般采用挑流利用下游水墊消能或在下游修建消力池+尾坎提高消能效率，泄水底孔一般會(huì)采取常規(guī)的挑流消能。與上述傳統(tǒng)泄洪消能方式相比臺(tái)階溢洪道+錐形閥泄放管有更突出的優(yōu)勢：臺(tái)階溢洪道易于施工、工期短、投資?。诲F形閥結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、消能效果好、運(yùn)行靈活、易維修維護(hù)。文中結(jié)合臺(tái)階溢洪道與錐形閥泄放管模型試驗(yàn)研究，分析了采用該泄水建筑物布置形式的水力學(xué)指標(biāo)，可為工程泄水建筑物設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 概 述

梅州抽水蓄能電站下水庫大壩頂高程419.00m，正常蓄水位413.50m，死水位383.00m。泄水建筑物由表孔溢洪道和錐形閥泄放管組成。表孔溢洪道堰面曲線為WES型曲線，進(jìn)口溢流總凈寬40.0m，共分為4孔，單孔寬10.0m。過堰后泄槽段寬度由兩側(cè)向中間漸變縮窄，兩邊收縮角度均為10°，泄槽出口段寬度31.5m。泄槽段坡比1 ∶0.75，單級臺(tái)階高度為1.2m，水平長度0.9m(前四級采用0.6m×0.45m過渡臺(tái)階)，泄槽出口采用圓弧過渡至水平與下游護(hù)坦順接，出口高程340.00m。泄放管布置在表孔右側(cè)，進(jìn)口高程376.00m，管徑2.0m，錐形閥(閥體外設(shè)導(dǎo)流罩)布置在出口并向河中偏轉(zhuǎn)5°，出口中心線高程351.00m。在下游河道開挖區(qū)末端設(shè)二道壩，壩頂高程343.00m。平面布置及錐形閥剖面見圖1。

圖1 平面布置及錐形閥剖面

通過水工模型試驗(yàn)研究，復(fù)核其泄流能力，測驗(yàn)泄水建筑物水力學(xué)指標(biāo)，觀測水流流態(tài)，論證泄水建筑物設(shè)計(jì)方案并提出優(yōu)化建議。主要試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

2 模型設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵罁?jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)[9]，采用正態(tài)模型，比尺1 ∶30。相應(yīng)其他物理量比尺見表2。

表2 模型比尺

試驗(yàn)?zāi)Ｐ头秶ㄉ嫌螏靺^(qū)、泄水建筑物、部分下游河道。溢洪道采用水泥刮制，錐形閥泄放管采用有機(jī)玻璃制作。河道地形根據(jù)1 ∶500地形圖采用斷面板法和等高線法用水泥砂漿抹制。模型滿足幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，制作安裝精度滿足規(guī)范要求[10]。

3 試驗(yàn)成果

3.1 泄流能力

表孔溢洪道泄流能力計(jì)算公式為

(1)

式中Q——流量，m3/s；

ε——收縮系數(shù)，取0.95；

σ——淹沒系數(shù)，取1；

m——流量系數(shù)；

n——閘孔數(shù)，取4；

b——閘孔凈寬，取10，m；

g——重力加速度，取9.81，m/s2；

H0——堰上總水頭，H0=庫水位-413.50，m。

泄流能力試驗(yàn)成果表明：各水位下試驗(yàn)泄量值略大于設(shè)計(jì)值，表孔試驗(yàn)值比設(shè)計(jì)值大0.36%～1.4%，錐形閥泄放管試驗(yàn)值比設(shè)計(jì)值大0.64%～2.41%，說明泄水建筑物泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。表孔、錐形閥泄放管水位流量關(guān)系曲線見圖2。

圖2 表孔、錐形閥泄放管水位流量關(guān)系曲線

3.2 臺(tái)階溢洪道

3.2.1 流態(tài)

臺(tái)階溢洪道下泄特征頻率洪水時(shí)，溢流面單寬流量在5.9～15.45m3/(s·m)之間，臺(tái)階初始摻氣位置隨下泄流量的增加而向下游移動(dòng)，摻氣充分后的臺(tái)階面水流為滑移流。臺(tái)階角隅內(nèi)形成穩(wěn)定的漩渦，水流剪切作用明顯，大量摻氣。臺(tái)階上的水流受到固定邊界約束及主流向下的拖曳作用，在臺(tái)階內(nèi)角表現(xiàn)為橫向旋滾運(yùn)動(dòng)。隨著流量的增加，水流紊動(dòng)發(fā)展不盡相同，這是由于水流除受臺(tái)階面擾動(dòng)，還受到了中隔墩的擾動(dòng)影響，導(dǎo)致中墩尾部的水流紊動(dòng)發(fā)展比臺(tái)階面其他位置快，臺(tái)階面初始摻氣位置從立面上呈“駝峰”狀。由于首級臺(tái)階水流受到的擾動(dòng)較小，紊流邊界尚未發(fā)展到水面，此時(shí)流態(tài)平順。當(dāng)下泄水流到達(dá)一定的臺(tái)階級數(shù)時(shí)，具體為消能防沖工況至第3級、設(shè)計(jì)洪水工況至第7級、校核洪水工況至第12級附近，紊流邊界發(fā)展到自由水面，水面破碎，水體摻氣充分，下泄水流呈乳白色，紊流摻氣一直持續(xù)到末級臺(tái)階并進(jìn)入護(hù)坦。泄洪時(shí)護(hù)坦內(nèi)呈現(xiàn)出不同流態(tài)：消能防沖工況為穩(wěn)定的水躍流態(tài)；設(shè)計(jì)工況水躍呈三角形；校核工況躍首位于護(hù)坦外，為遠(yuǎn)驅(qū)水躍。后經(jīng)試驗(yàn)比較，將二道壩高度由3m提高至6m，增加下游水墊厚度，下泄各頻率洪水時(shí)下游將形成穩(wěn)定的水躍流態(tài)。由此可見臺(tái)階溢洪道在下游沒有設(shè)計(jì)消力池時(shí)，可以采用短護(hù)坦接二道壩、下游護(hù)岸不護(hù)底的型式，從而減小下游消能防沖設(shè)施的投資。特征工況流態(tài)見圖3。

圖3 臺(tái)階溢洪道流態(tài)

3.2.2 流速

同工況下，從初始摻氣臺(tái)階至末級臺(tái)階，流速值增長較慢，沿程斷面流速變化不大。不同工況下，臺(tái)階面流速值隨下泄流量的增加而增大：消能防沖工況，臺(tái)階沿程流速在13.39～15.03m/s之間；設(shè)計(jì)工況，臺(tái)階沿程流速為14.28～15.56m/s；校核工況，臺(tái)階溢流面流速為14.26～16.16m/s。由于臺(tái)階溢流面摻氣充分，沿程流速量級較小且分布較均勻，發(fā)生空化空蝕的可能性大大降低，保證了臺(tái)階溢洪道的泄洪安全。臺(tái)階溢流面流速分布見圖4。

圖4 臺(tái)階流速

3.2.3 消能率

水流經(jīng)過溢洪道臺(tái)階面，紊動(dòng)強(qiáng)烈并伴有旋滾破碎，水體摻氣充分，在此過程中部分能量耗散。為了計(jì)算臺(tái)階面水流在泄洪過程中的能量耗散情況，對上游進(jìn)口斷面和臺(tái)階末端斷面建立能量方程來計(jì)算消能率的變化，用兩斷面的能量差值與進(jìn)口斷面能量之比作為消能率，消能率采用下式計(jì)算：

(2)

式中E1——上游進(jìn)口斷面總能量，m；

E2——臺(tái)階末端斷面總能量，m。

上游進(jìn)口斷面總能量E1采用下式計(jì)算：

(3)

式中Z1——上游斷面相對于護(hù)坦底板的高度，m；

H1——上游斷面水深，m；

V1——上游斷面平均流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81，m/s2；

α1——上游斷面流速系數(shù)，取1。

臺(tái)階末端斷面的總能量E2采用下式計(jì)算：

(4)

式中Z2——臺(tái)階末端斷面相對于護(hù)坦底板的高度，m；

H2——臺(tái)階末端斷面水深，m；

V2——臺(tái)階末端斷面平均流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81，m/s2；

α2——臺(tái)階末端斷面流速系數(shù)，取1。

各工況消能率計(jì)算見表3，從表3可以看出臺(tái)階消能率隨著單寬流量的減小而增加。

表3 各工況臺(tái)階消能率

在各級流量泄洪運(yùn)行時(shí)，對臺(tái)階溢洪道與光滑溢流面下游末端相對消能率進(jìn)行了對比，計(jì)算成果見表4。臺(tái)階溢洪道末端泄洪動(dòng)能只有光滑溢流面相應(yīng)動(dòng)能的40.12%～42.09%，相對消能率達(dá)75%以上，臺(tái)階溢洪道泄洪消能作用較明顯。

表4 光滑和臺(tái)階溢流面相對消能率比較

由此可見臺(tái)階溢流面消殺了下泄水流的大部分能量，從圖5可以看出，消能率呈現(xiàn)隨單寬流量的增大而緩慢減小的趨勢，這與前人研究成果一致。

圖5 單寬流量與消能率的關(guān)系

3.3 錐形閥泄放管

3.3.1 流態(tài)

水流通過泄放管進(jìn)入錐形閥，受到閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及前部錐體的導(dǎo)向作用，使出流以輻射形散射出來。導(dǎo)流罩對散射水流起到一定的約束作用，防止出流擴(kuò)散至岸邊沖刷岸坡，出射水流在消能罩內(nèi)充分紊動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到消能目的。由于錐形閥泄放管布置在表孔右側(cè)，原設(shè)計(jì)方案出口向河中只偏轉(zhuǎn)了5°。試驗(yàn)成果表明：水舌落點(diǎn)距右岸邊不到5m，岸邊最大沖刷深度6.5m，泄洪沖刷可能危及右岸邊坡安全。經(jīng)多方案試驗(yàn)比較，將錐形閥泄放管出口偏轉(zhuǎn)角增至13°時(shí)，水舌落點(diǎn)基本位于河中，落點(diǎn)距右岸邊最小距離12.8m，避免了泄洪沖刷對右岸邊坡的影響。

3.3.2 錐形閥消能率

錐形閥及導(dǎo)流罩作為消能設(shè)施，其消能率也是受到關(guān)心的問題。通過試驗(yàn)對錐形閥消能率的變化情況及規(guī)律進(jìn)行研究，分析了不同流量下消能率的變化趨勢。以導(dǎo)流罩出口作為參考斷面，采用系統(tǒng)消能率進(jìn)行估算，公式如下：

(5)

式中η——系統(tǒng)消能率；

h——斷面平均水深，m；

H——水頭，m；

g——重力加速度，m/s2；

q——單寬流量，m3/(s·m)。

經(jīng)計(jì)算錐形閥系統(tǒng)消能率在86.62%～92.20%之間，其成果見圖6。由圖6可知，消能率隨著流量的增加而緩慢增大。分析其原因，在流量較小(庫水位偏低)時(shí)，錐形閥出口流速相對較小，閥體及導(dǎo)流罩內(nèi)水流紊動(dòng)作用有限，消能率相對略低；隨著流量增大(庫水位升高)，出口流速增加，水流紊動(dòng)及旋轉(zhuǎn)作用增強(qiáng)，消能率有所提高。

圖6 錐形閥系統(tǒng)消能率與單寬流量的關(guān)系

4 結(jié) 論

本文結(jié)合梅州抽水蓄能電站下水庫大壩臺(tái)階溢洪道與錐形閥泄放管泄洪消能水工模型試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

a.在臺(tái)階溢洪道下游采用短護(hù)坦接二道壩、下游河道護(hù)岸不護(hù)底的支護(hù)型式，消能防沖效果好，可以降低下游消能防沖設(shè)施的投資。

b.臺(tái)階溢流面單寬流量在5.9～15.45m3/(s·m)時(shí)，臺(tái)階面水流摻氣充分，流速分布均勻，發(fā)生空化空蝕的可能性較小。

c.臺(tái)階溢流面與光滑溢流面相比，泄洪過程中能量耗散增強(qiáng)，消能作用較明顯，消能率隨著單寬流量的增大而緩慢減小。

d.錐形閥泄放管宜布置在河道中間，當(dāng)布置在河道兩側(cè)時(shí)，應(yīng)注意避免泄洪沖刷影響岸坡穩(wěn)定。錐形閥的消能率隨著流量增加而緩慢提高。

e.采用臺(tái)階溢洪道與錐形閥泄放管聯(lián)合泄洪消能布置形式，其結(jié)構(gòu)簡單、消能率高、運(yùn)行靈活、易維修維護(hù)。