階梯面坡度對一體化消能工水力特性影響的試驗研究

秦海杰

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

猴山水庫位于遼寧省綏中縣范家鄉(xiāng)趙家甸村境內(nèi)的狗河上，主要任務(wù)是城市供水，同時兼具防洪和下游農(nóng)業(yè)灌溉條件的改善。水庫的永久性建筑物主要包括擋水大壩、溢流表孔、消力池、泄洪底孔等組成，其中主要建筑物為1級，次要建筑物為3級。工程的泄水建筑物包括5個溢流表孔，堰頂高程為384 m，孔口尺寸為5 m×13 m×20 m，采用寬尾墩+階梯溢流壩+消力池的一體化消能工，主要由WES堰面曲線、寬尾墩、挑坎、斜坡段、反弧段以及設(shè)有消力坎的消力池。在水工設(shè)計和建設(shè)領(lǐng)域，泄水建筑物具有十分重要的作用，不僅要保證多余洪水的安全宣泄，還需要具有良好的消能效果，嚴格控制其對下游壩體的沖刷，保證大壩安全[1]。但是，隨著大壩壩高和流量的不斷加大，消能率低和空蝕空化現(xiàn)象日趨嚴重[2]。為了解決這一問題，部分工程采用了階梯溢流壩設(shè)計，通過階梯面摻氣，改善下瀉水流的空蝕空化問題[3]。顯然，階梯坡面坡度的變化會對下瀉水流的水力特征和消能效果產(chǎn)生顯著影響[4]?；诖?，此次研究通過模型試驗的方式，探討不同坡度對階梯溢流壩一體化消能工水力特性的影響，以便為相關(guān)工程設(shè)計提供有益的借鑒。

2 水工試驗?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 模型的設(shè)計和制作

在試驗研究中選擇背景工程溢流壩段5個溢流表孔中的兩個，按照佛汝德準則進行單體水工試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計。模型的幾何比尺為1∶60、流量比尺為7885.48、流速比尺為7.75、壓力比尺為60、糙率比尺為1.98、時間比尺為7.75。制作和安裝精度均滿足《水工模型試驗規(guī)程》(SL 155—2012)。模型的模擬范圍從上游700 m值下游圍堰軸線600 m，全長約1900 m，壩軸線的上游地形高程420 m，下游圍堰軸線兩岸的地形高程360 m。在模型的制作和安裝過程中，根據(jù)工程的平面圖以及地形圖上的設(shè)置三角網(wǎng)進行控制，利用全站儀進行控制點的釋放，在地形復(fù)雜的區(qū)域進行加密處理[5]。為了保證高速水流條件下水流流態(tài)的穩(wěn)定性，利用水準儀高程測量。溢流堰頂、溢流表孔、寬尾墩、結(jié)題溢流壩面，反弧段和消力池等水工試驗的關(guān)鍵部位采用有利玻璃制作，這不僅方便觀察水流流態(tài)，同時也可以保證模型和實體在糙率上的相似性。模型的其余部位利用水泥磚砌筑，利用水泥砂漿抹面[6]。

2.2 試驗過程與方法

試驗過程中通過潛水泵將地下蓄水池中的水經(jīng)過輸水管道輸送至高位蓄水池中，利用上游閘門的控制和調(diào)節(jié)，使量水堰的水位和水量達到試驗要求，然后開始試驗觀測，并記錄好相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。模型的下瀉水流經(jīng)過下游的尾水池收集并最終進入地下蓄水池，實現(xiàn)循環(huán)利用。

為了分析坡度對消能工水力特征的影響，水工模型試驗中進行水深、流速的測量計算[7]。在測點的布置方面，在模型沿線一共布置28個測點。其中試驗過程中的水深利用測針測量，精度為0.1 mm；近底流速采用畢托管測量，測量位置為距離模型底板20 cm處；試驗中的時均壓強采用內(nèi)徑12 mm的玻璃管測壓排測量，其精度為1 mm。

2.3 試驗方案

此次試驗中的摻氣坎設(shè)置在階梯溢流壩的前端，WES堰面線后接壩面的坡度為53.13°，階梯段設(shè)置29個階梯，每個階梯的高度和寬度分別為1.00 m和0.75 m。結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗，設(shè)計51.5°、53.5°和57.0°三種不同的階梯面坡度，同時增加高度1.0 m，角度為10°的摻氣坎[8]。具體的模擬方案如表1所示。

表1 試驗方案參數(shù)設(shè)計表

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水面線

消力池內(nèi)的水面線分布特征是消能效果的重要判別指標，同時也是邊墻設(shè)計的重要影響因素。研究中根據(jù)試驗水深數(shù)據(jù)，整理獲取如表2所示的消力池沿程水深。由表中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，不同坡度方案下的消力池水深變化特征比較接近。具體來看，在消力池的前段水深逐漸增加且增幅較大，中部的水深上升幅度較小，并在尾坎部位達到最大值，在尾坎下游水位略有下降。從不同方案的試驗結(jié)果對比來看，階梯面坡度對沿程水深存在一定的影響，但是影響的幅度并不大，其中方案2的最大水深值最小，為52.13 cm。

表2 各方案消力池沿程水深試驗結(jié)果 cm

3.2 流速分布

試驗中對不同方案下的反弧段和消力池的臨底流速進行測量，結(jié)果如表3所示。由表中的結(jié)果可以看出，模型的反弧段和消力池的臨底流速沿程分布變化特征基本一致。具體來看，經(jīng)過上游的寬尾墩和摻氣坎挑射之后，下泄水流以一定的角度跌入反弧段，造成反弧段流速迅速增加，在消力池中隨著能量的消耗和尾坎的雍水作用，水流的動能逐漸降低，流速迅速減小。從不同方案的試驗結(jié)果對比來看，臨底流速最大的是方案1，在樁號0+116.25部位的流速值最大為3.46 m/s，按流速比尺換算，實際工況下的流速值為26.84 m/s，已經(jīng)超過工程設(shè)計的允許值，會產(chǎn)生比較明顯的沖刷。方案2和方案3的最大流速值比較接近，分別為3.20 m/s和3.18 m/s。

3.3 紊動能和紊動消散率

紊動能和紊動消散率是消能工消能效果的重要指標。利用試驗數(shù)據(jù)對不同方案下的反弧段和消力池的紊動能和紊動消散率進行計算，從計算結(jié)果中提取兩者的最大值，結(jié)果如表4所示。由表中的結(jié)果可以看出，紊動能和紊動消散率的最大值隨著坡度的增加而增大。其中，方案2的紊動能較方案1增加8.25%，方案3較方案2增加約1.92%。由此可見，增大坡度值，有利于消力池內(nèi)下瀉水流的翻滾和摩擦，提高消能效果。

表3 反弧段和消力池沿程臨底流速試驗結(jié)果 m·s-1

表4 紊動能和紊動消散率最大值

3.4 消能率

消能率是也是評價消能工消能效果的重要指標。研究中選取模型上游水流進口斷面和下游出口斷面，利用能量方程和試驗數(shù)據(jù)，計算三種不同試驗方案下的消能率，結(jié)果如表5所示。由表中的結(jié)果可以看出，不同方案的消能率存在一定的差異，說明階梯坡面的坡度對消能工的消能率存在一定的影響。從不同方案的對比來看，效能率隨著階梯坡面坡度的增加而增大，方案1的消能率最低，為59.73%；方案2和方案3的消能率十分接近，分別為59.93%和59.97%。由此可見，進一步增加階梯坡面的坡度對增加消能率的作用較為有限。

表5 各方案消能率計算結(jié)果

4 結(jié) 論

此次研究以猴山水庫大壩為例，通過模型試驗的方式研究了一體化消能工階梯坡面坡度對水力特征的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)階梯面坡度對沿程水深存在一定的影響，但是影響的幅度并不大，其中方案2的最大水深值最小。

(2)方案1的臨底流速最大，已經(jīng)超過工程設(shè)計的允許值。方案2和方案3的最大流速值比較接近。

(3)紊動能和紊動消散率的最大值隨著坡度的增加而增大；增大坡度值有利于消力池內(nèi)下瀉水流的翻滾和摩擦，提高消能效果。

(4)從不同方案的對比來看，效能率隨著階梯坡面坡度的增加而增大，但是進一步增加階梯坡面的坡度對增加消能率的作用較為有限。