俄垤水庫(kù)擴(kuò)建工程溢洪道消能減蝕模型試驗(yàn)研究

何志亞，冷月華，向鵬鵬，劉文超，姚志軍

(1. 云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，云南 蒙自 661100；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072； 3. 國(guó)投云南大朝山水電有限公司，云南 昆明 650000)

隨著我國(guó)水利水電[1]事業(yè)高速高質(zhì)量的發(fā)展，泄洪消能和摻氣減蝕逐漸成為了高流速溢洪道的研究重點(diǎn)。在中高水頭水利工程中，水流所積攢的重力勢(shì)能較大，泄槽內(nèi)水流流速大，水股集中，可能會(huì)對(duì)泄洪建筑物造成空蝕，同時(shí)對(duì)建筑物的消能防沖提出較高要求。已有研究認(rèn)為：當(dāng)溢洪道流速超過35 m/s或水流空化數(shù)小于0.30時(shí)就會(huì)發(fā)生空化空蝕破壞[1-2]。設(shè)置摻氣減蝕措施是克服空化空蝕最經(jīng)濟(jì)合理的辦法[3]。底流消能因其適用各種地形、消能率高、泄洪霧化影響小等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛使用[4]。但在中高水頭時(shí)，高速水流直沖消力池，修建常規(guī)消力池工程投資巨大，應(yīng)通過體型優(yōu)化選擇既能滿足消能防沖要求又節(jié)省投資的消力池體型尺寸。

俄垤水庫(kù)擴(kuò)建工程溢洪道全長(zhǎng)375.98 m，上下游落差高達(dá)64.62 m，泄槽段流速最大達(dá)26.35 m/s，泄槽內(nèi)易產(chǎn)生空蝕同時(shí)對(duì)下游的消能設(shè)施提出了較高要求。需在泄槽內(nèi)增設(shè)摻氣設(shè)施，并對(duì)消力池進(jìn)行體型優(yōu)化，保證溢洪道泄洪時(shí)的安全運(yùn)行。

1 工程概況

俄垤水庫(kù)位于紅河縣以南的勐龍河上游，是一座解決農(nóng)業(yè)用水并兼顧城鄉(xiāng)生活、工業(yè)用水、調(diào)洪等綜合利用的Ⅲ等中型水利工程，總庫(kù)容3 010萬(wàn)m3[5]。為解決水庫(kù)供水需求的增加與水庫(kù)防洪安全之間的矛盾，對(duì)俄垤水庫(kù)進(jìn)行了擴(kuò)建，庫(kù)容增至4 208.5萬(wàn)m3。為保證擴(kuò)建后的水庫(kù)防洪安全，相應(yīng)地實(shí)施了溢洪道改建工程。

俄垤水庫(kù)溢洪道為3級(jí)永久性水工建筑物，消能防沖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為三十年一遇洪水(H上=1 572.04 m)，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為五十年一遇洪水(H上=1 572.32 m)，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇洪水(H上=1 573.73 m)。

初擬方案下改建溢洪道布置于壩體右岸，為岸邊側(cè)槽開敞式溢洪道。溢洪道軸線與壩軸線夾角為69°45′，溢洪道由側(cè)槽段、調(diào)整段、漸變段、泄槽Ⅰ段、泄槽Ⅱ段、消力池段及出水渠段組成。側(cè)槽段長(zhǎng)11.31 m，梯形斷面，側(cè)堰堰型為WES實(shí)用堰，堰寬為12 m，上游堰高1.5 m，下游堰高4.26 m，堰頂高程與水庫(kù)正常蓄水位1 570.25 m齊平，槽底寬由4 m漸變到8 m。調(diào)整段長(zhǎng)9 m，底坡i=0；漸變段長(zhǎng)40 m，底坡i=0.14；泄槽Ⅰ段長(zhǎng)87.0 m，底坡i=0.14；泄槽Ⅱ段長(zhǎng)124.0 m，底坡i=0.40，溢洪道泄槽段總落差為67.08 m；消力池段全長(zhǎng)38.0 m；出水渠段全長(zhǎng)66.7 m。

溢洪道改建初擬方案下溢洪道剖面圖及平面圖如圖1所示。

圖1 溢洪道剖面圖及平面圖

2 物理模型設(shè)計(jì)

模型利用水箱作為水庫(kù)，內(nèi)設(shè)平水花墻以穩(wěn)定水流并調(diào)整水流入庫(kù)方向使之與原型水流一致，滿足流態(tài)相似要求。在溢洪道進(jìn)口上游庫(kù)區(qū)部位與下游出水渠內(nèi)設(shè)水位觀測(cè)點(diǎn)控制水位。其物理模型如圖2所示。

圖2 物理模型側(cè)視圖

模型試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中溢洪道總共布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中泄槽段共布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，壓力測(cè)點(diǎn)與流速測(cè)點(diǎn)保持一致。

3 試驗(yàn)成果

3.1 初擬方案試驗(yàn)成果

為了盡快驗(yàn)證初擬方案設(shè)計(jì)的合理性，縮短試驗(yàn)周期，試驗(yàn)主要針對(duì)消能防沖水位工況進(jìn)行分析。

在消能防沖水位工況下：①側(cè)堰段及側(cè)槽段整體流態(tài)較好，無(wú)負(fù)壓發(fā)生，水面未超相應(yīng)邊墻高度，側(cè)堰體型設(shè)計(jì)合理；②泄槽Ⅰ段與Ⅱ段拋物線連接處，未出現(xiàn)水流脫空現(xiàn)象，但出現(xiàn)較大負(fù)壓。泄槽Ⅱ段多個(gè)測(cè)試斷面出現(xiàn)負(fù)壓。結(jié)合實(shí)測(cè)流速值計(jì)算出的空化數(shù)表明(如表2所示)，這些斷面未能滿足防空蝕要求，需考慮泄槽段體型優(yōu)化或增加摻氣減蝕設(shè)施；③消能防沖水位下消力池內(nèi)發(fā)生了遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，流態(tài)較差。設(shè)計(jì)水位工況下，水流直沖消力池尾坎，高高躍起翻過邊墻(如圖3所示)，必須進(jìn)行消力池體型優(yōu)化。

表2 泄槽段弗勞德數(shù)及空化數(shù)

圖3 初擬方案消力池流態(tài)

3.2 泄槽段摻氣減蝕優(yōu)化試驗(yàn)

3.2.1 優(yōu)化緣由

兩種典型工況溢洪道泄洪時(shí)，泄槽段出口流速達(dá)到26.35 m/s，已屬高流速范圍。由表2可知，在消能防沖水位下，初擬方案泄槽段某些測(cè)點(diǎn)斷面的空化數(shù)不滿足要求，需增設(shè)摻氣減蝕裝置。

3.2.2 摻氣設(shè)施布置

選擇摻氣坎體型需保證其在各種水位下，既有足夠的摻氣保護(hù)長(zhǎng)度，又不致對(duì)原有水流條件產(chǎn)生明顯影響。結(jié)合典型斷面Froude數(shù)，經(jīng)分析比較，最終選擇底部設(shè)摻氣挑坎，兩側(cè)邊墻設(shè)通氣槽的組合方式進(jìn)行摻氣。

根據(jù)溢洪道泄槽段空化數(shù)計(jì)算值(表2)可知，樁號(hào)0+122.119 m、0+184.501 m、0+215.001 m斷面空化數(shù)較小，無(wú)法滿足溢洪道的防空蝕要求。模型試驗(yàn)中對(duì)摻氣坎的位置進(jìn)行多次調(diào)整及試驗(yàn)，最終選擇分別在樁號(hào)0+99.402 m、0+192.935 m斷面處設(shè)摻氣裝置C1、C2。

為使坎后保持穩(wěn)定的空腔和滿意的流態(tài)，要求坎高tr不能太小[7]。

摻氣挑坎的下限坎高可按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

tr/R≥23.5/X3

(1)

計(jì)算得到摻氣挑坎C1的下限坎高為10 cm，摻氣挑坎C2的下限坎高為1 cm。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果和工程實(shí)踐，適宜的摻氣挑坎坡比i=1∶5～1∶15。參考以上參數(shù)計(jì)算及分析，經(jīng)過試驗(yàn)多次優(yōu)化，最終確定C1坎高為30 cm，坡度1∶10；C2坎高為30 cm，坡度1∶13(如圖4所示)。

圖4 摻氣坎物理模型

設(shè)置摻氣坎后的泄槽段在消能防沖和設(shè)計(jì)水位下各測(cè)點(diǎn)壓力和空化數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 泄槽段弗勞德數(shù)及空化數(shù)

由表3可知，設(shè)摻氣坎后，消能防沖水位下空化數(shù)均滿足要求，設(shè)計(jì)水位下僅有一個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面不滿足空化數(shù)要求，且出現(xiàn)負(fù)壓的測(cè)點(diǎn)減少，負(fù)壓值顯著減小，摻氣減蝕效果明顯，可有效減輕溢洪道空蝕破壞。

3.3 消力池體型優(yōu)化試驗(yàn)

消力池體型優(yōu)化以設(shè)計(jì)水位工況下池內(nèi)流態(tài)良好為控制標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到增大消力池進(jìn)口水深，減小池末水深，使水躍發(fā)生位置前移，池內(nèi)流態(tài)良好，主要考慮了池長(zhǎng)、擴(kuò)散角、池末寬度、邊墻坡度、尾坎高度等體型參數(shù)[8]。優(yōu)化試驗(yàn)遴選中選擇的消力池參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表4 消力池體型遴選方案匯總

方案一相比初擬方案，大大增加了池長(zhǎng)以及池末寬度，略微增加了擴(kuò)散角，并將消力池邊墻改為斜墻。在設(shè)計(jì)水位下消力池進(jìn)口斷面水深相對(duì)設(shè)計(jì)初擬方案明顯增大，發(fā)生了淹沒水躍。但消力池邊墻為斜墻，消力池體型偏大導(dǎo)致工程量較大，需進(jìn)一步優(yōu)化。

方案二將擴(kuò)散角增大至14.93°。試驗(yàn)中水躍躍前斷面位置相對(duì)于方案一有較大程度的前移。但因擴(kuò)散角較大，水流不能貼壁下泄，底部水流擴(kuò)散后與邊墻相遇，水流順著邊墻爬升，形成較高的水冠，流態(tài)亦較差，說明擴(kuò)散角不能太大。同時(shí)消力池后段體型維持在等寬12.0 m，體型也偏大，需進(jìn)一步優(yōu)化。

方案三將擴(kuò)散角略微增加，并對(duì)尾坎體型進(jìn)行了多次調(diào)試。設(shè)計(jì)水位下消力池內(nèi)流態(tài)能滿足要求，且尾坎后流態(tài)也較平順，出水渠內(nèi)水流流態(tài)較好。說明增加尾坎高度對(duì)改善池內(nèi)流態(tài)效果明顯，尾坎體型對(duì)出水渠內(nèi)流態(tài)影響較大。

分析以上遴選方案試驗(yàn)成果，結(jié)合消力池工程量的要求，最終確定的消力池體型參數(shù)如下：池長(zhǎng)38.00 m，池寬由進(jìn)口4.00 m直線漸變?cè)黾又脸啬?.00 m，邊墻高度14.4 m；池末設(shè)置尾坎，其高度4.2 m，坎頂寬1.0 m，下游面坡度1∶1(如圖5所示)。

圖5 推薦消力池體型簡(jiǎn)圖(單位：m)

推薦體型下，在設(shè)計(jì)水位時(shí)，水流在距消力池進(jìn)口約2.20 m處發(fā)生穩(wěn)定水躍，躍前水深約為1.68 m，躍后斷面在消力池進(jìn)口下游約27.00 m，躍后水深約為5.91 m。再往下游水流越過消力池末尾坎進(jìn)入出水渠。并且水流在尾坎斜面上產(chǎn)生一個(gè)漩滾，進(jìn)行了二次消能，出水渠內(nèi)流態(tài)平順(如圖6所示)。

圖6 推薦消力池流態(tài)

由初擬方案和推薦方案的水躍特征參數(shù)(如表5所示)對(duì)比可知，消力池體型優(yōu)化效果顯著，躍前斷面相對(duì)于初擬方案有較大前移，躍前斷面弗勞德數(shù)均位于穩(wěn)定水躍區(qū)間4.5～9.0之間，消力池水躍消能率提升明顯。

表5 水躍特征參數(shù)對(duì)比(設(shè)計(jì)水位工況)

4 結(jié) 語(yǔ)

1)俄垤水庫(kù)擴(kuò)建工程在溢洪道泄槽段設(shè)置摻氣坎后，坎后形成負(fù)壓空腔，出現(xiàn)負(fù)壓的測(cè)點(diǎn)明顯減少，負(fù)壓值顯著減小，在消能防沖水位工況所有測(cè)點(diǎn)均能滿足空化數(shù)要求，摻氣減蝕效果明顯，可為類似工程提供參考。

2)結(jié)合俄垤水庫(kù)擴(kuò)建工程的實(shí)際情況，采用綜合式消力池可以顯著壅高池內(nèi)水深，改善流態(tài)，并盡可能減少工程量，技術(shù)上可行，可作為推薦方案。