三河口水利樞紐放空泄洪底孔體型優(yōu)化研究

程漢鼎，毛擁政，趙 瑋，王佐榮，李 紅，王 蕓

（1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001；2.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710011）

1 概況

三河口水利樞紐大壩采用碾壓混凝土拱壩,壩身設(shè)泄洪表孔、放空泄洪底孔和進水口等建筑物,壩體為拋物線雙曲體型,壩頂高程為646 m,最大壩高141.5 m,壩頂寬9 m。樞紐大壩為1 級建筑物,故泄洪建筑物按1級建筑物設(shè)計,左、右放空泄洪底孔500 年一遇設(shè)計洪水時下泄流量為1540 m3/s,2000 年一遇校核洪水時下泄流量1560 m3/s。

三河口水利樞紐放空泄洪底孔主要任務(wù)是放空水庫和分擔(dān)泄洪,鑒于工程運行中存在的水頭高、流速大、事故門槽和工作門槽結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜等特點,為解決高速水流下的空化空蝕問題及高水頭弧門止水問題,在體型設(shè)計過程中,不僅借鑒了國內(nèi)工程成功經(jīng)驗,還進行了整體水工模型試驗,對初步確定的體型進行了優(yōu)化研究,確保工程運行安全、可靠。

與國內(nèi)同級別碾壓混凝土拱壩相比較,三河口水利樞紐放空泄洪底孔泄洪時工作水頭和泄量均處于前列,見表1。

表1 同類工程底孔特征參數(shù)對比表

2 放空泄洪底孔布置及體型設(shè)計

2.1 底孔布置

壩址區(qū)河谷呈“V”型發(fā)育,兩岸地形基本對稱,大部分區(qū)域基巖裸露。泄洪建筑物由壩身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防沖建筑物等組成。泄洪表孔采用淺孔布置,放空泄洪底孔相間布置在三個表孔之間,形成三表孔兩底孔的布置格局。底孔為有壓流,孔身斷面為平底矩形,頂板為壓坡形式。

2.2 底孔體型設(shè)計

放空泄洪底孔進口采用喇叭口型式,設(shè)置傾斜的檢修閘門槽；中部有壓流段為平底,孔身段為矩形斷面,頂板為壓坡形式；出口段采用偏心鉸工作弧門,門槽為突擴突跌型,底坎左右兩邊設(shè)置圓形通氣孔,采用帶跌坎的窄縫挑流消能工。

放空泄洪底孔泄洪時最大水頭94.7 m,最大流速高達40 m/s左右,高速水流帶來的過流面抗沖耐磨及氣蝕等問題突出,底孔過流面采用復(fù)合不銹鋼板襯砌。

3 放空泄洪底孔體型優(yōu)化

3.1 泄流能力及水流流態(tài)分析

根據(jù)施工圖階段水工模型試驗成果,設(shè)計水位時實測底孔的泄量為1525.7 m3/s；校核水位時實測泄量為1544.1 m3/s,略小于設(shè)計泄量。庫水位在563.00 m～577.20 m之間時,底孔進口前出現(xiàn)間歇性或持續(xù)性漩渦。另外,在底孔出口收縮作用下,底孔水舌呈直線縱向拉開,側(cè)面呈掃帚狀；盡管有出口邊墩收縮的導(dǎo)向作用,但兩孔水舌落點基本重合。針對“在底孔出口收縮作用下,水舌呈直線縱向拉開,側(cè)面呈掃帚狀,但兩孔水舌橫向沒有完全分開,落點基本重合”的情況,擬將底孔內(nèi)側(cè)邊壁延伸,使水舌方向偏向外側(cè),避免兩底孔出口水舌落點重合,從而避免兩底孔水舌碰撞帶來的較強霧化和不穩(wěn)定流態(tài)。

表2 放空泄洪底孔全開泄流能力試驗值與設(shè)計值比較

3.2 底孔孔口體型優(yōu)化

針對底孔泄流能力不滿足設(shè)計要求和進口水流流態(tài)問題,從工程布置、造價及施工等多方面考慮,結(jié)合工程經(jīng)驗,確定了放空泄洪底孔孔口體型優(yōu)化方案。

本次根據(jù)水力計算、整體水工模型試驗和放空泄洪底孔減壓模型試驗成果,對放空泄洪底孔進口孔口尺寸、孔身段頂板壓坡坡比、壓坡段長度和坡比等進行了優(yōu)化和調(diào)整,具體優(yōu)化參數(shù)見表3。

表3 放空泄洪底孔孔口體型參數(shù)優(yōu)化匯總表

放空泄洪底孔孔口體型優(yōu)化降低了入口處流速,有利于改善進口處水流流態(tài),有效解決了底孔進口前間歇性、持續(xù)性漩渦以及氣蝕問題。

圖1 放空泄洪底孔縱剖面圖

圖2 放空泄洪底孔平面圖

3.3 突擴突跌摻氣體型優(yōu)化

弧形工作閘門開啟時,水流經(jīng)有壓段后向左右兩側(cè)及底部擴散,在兩側(cè)突擴邊墻后形成側(cè)空腔,在底板突跌后形成底空腔,可對邊墻及底板起到摻氣減蝕保護作用[1]。在其運用水頭范圍內(nèi)形成并保持一個穩(wěn)定通氣空腔,以保證向下游水流供氣。力求使通過摻氣設(shè)施的水流平順,避免因設(shè)置摻氣設(shè)施而惡化水流流態(tài)和抬高水面線,防止過高的水翅沖擊弧門支鉸大梁或增大沖擊力[2]。

國內(nèi)外眾多工程均采用了突擴突跌及偏心鉸弧門設(shè)施,采用的突擴體型寬度一般在0.4 m～0.8 m。本工程底孔出口弧門采用偏心鉸弧門,弧門門槽為突擴突跌型,突擴寬度和突跌的高度不但要滿足弧形閘門止水布置要求,還要形成穩(wěn)定的空腔流態(tài),與兩側(cè)空腔相互貫通,滿足摻氣減蝕要求。借鑒工程經(jīng)驗,本工程底孔突擴沿邊墻兩側(cè)向外擴寬0.5 m,寬度變?yōu)? m；底孔突跌高度采用1.0 m。通氣孔尺寸越大,降低孔內(nèi)風(fēng)速效果越好,摻氣效果越好,本工程在底坎兩側(cè)墻上設(shè)置直徑為0.8 m的圓形通氣孔。

3.4 出口消能體型研究

根據(jù)樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件、建筑物布置及工程泄洪特點等,本次選擇窄縫挑流消能方式。即將泄水建筑物末端縮成窄縫,迫使水流橫向收縮,形成窄而厚的射流,再經(jīng)挑坎拋向空中,最后跌入下游水墊的消能方式。其特點是水流先在坎內(nèi)被迫強行收縮,從窄縫挑坎射出后,在鉛直向和縱向的擴散和在空中摻氣比較充分,水流呈窄而長的條形分散落入較大范圍的水墊中[3],撞擊、紊動和摩擦等消能作用也發(fā)揮得比較充分。

底孔出口段為帶跌坎的窄縫挑流消能工,為防止水流沖擊弧門支承梁,收縮段置于支承梁下游,寬度由5.0 m漸變?yōu)?.0 m,收縮比為0.4。窄縫收縮采用不對稱式,內(nèi)側(cè)收縮2.0 m,外側(cè)收縮1.0 m[3]。

通過方案比較,確定底孔出口窄縫挑坎體型保持出口窄縫寬度不變,一側(cè)邊墻多收縮25 cm,另一側(cè)少收縮25 cm,即保持收縮比不變、長度不變,微調(diào)出口體型；從空化特性方面分析,出口段空化問題由突擴跌坎造成,這部分體型未調(diào)整,保持原有空化特性不變；從水流特性方面看,出口窄縫段調(diào)整不影響上游邊墻平直段空化特性。

圖3 放空泄洪底孔出口立視圖

圖4 放空泄洪底孔出口窄縫斷面圖

4 水工模型試驗成果

為了驗證樞紐工程布置,泄洪建筑物的泄流能力、泄流流態(tài)及壓力分布及下游消能防沖布置的合理性,分別進行了整體水工模型試驗和減壓模型試驗等,研究對泄洪消能建筑物體型參數(shù)的優(yōu)化。

4.1 底孔減壓模型試驗

為了論證放空泄洪底孔斜拉檢修閘門槽和有壓出口段空化特性,開展了底孔減壓模型試驗,模型比例尺為1∶40。根據(jù)檢修閘門運行工況,弧形工作閘門全開為檢修閘門槽不利情況,庫水位越高,檢修閘門槽處特征流速越高,越容易發(fā)生空蝕破壞。在校核洪水位、設(shè)計洪水位、正常蓄水位、汛限水位下,檢修閘門槽段水流平順穩(wěn)定,門槽凹槽內(nèi)無旋渦,門槽下游棱角和門楣棱角無分離水流,流態(tài)較為理想。門槽凹槽、門槽下游棱角及下游門楣棱角均無空化現(xiàn)象。

根據(jù)有壓出口突擴跌坎門槽段空化特性初步試驗結(jié)果,跌坎水流形態(tài)較好,摻氣情況較為理想,跌坎體型滿足工程要求。邊壁突擴主流為清水,無摻氣減蝕作用,這部分水流空化特性是減壓模型試驗的重點。試驗時在底孔洞身布置了大量垂直升坎凸體,從上游到下游,從底板到頂板,再到邊墻,高度分別為：6.8 mm、12.4 mm、20.0 mm。試驗表明,凸體在各種工況下均未空化,說明該底孔空化性能優(yōu)越,滿足工程要求。

4.2 整體水工模型試驗

為了論證在不同運行水位和工作閘門開度及放空水庫等條件下,對表孔和底孔泄洪進行試驗,尤其是關(guān)鍵部位的流態(tài)、流速等；并根據(jù)實驗結(jié)果對表、底孔體型提出優(yōu)化建議,模型比例尺為1∶60。

模型試驗時采用不同方案進行了比較,將底孔內(nèi)收縮面延伸3 m,試驗放水效果不明顯。之后,通過調(diào)整兩底孔窄縫收縮寬度來調(diào)整水舌形態(tài),采用內(nèi)側(cè)墩寬增加0.25 m、外側(cè)墩寬減小0.25 m的方案水舌形態(tài)較好。

圖5 校核洪水位底孔水舌軌跡圖

在出口邊墩收縮作用下,底孔水舌呈直線縱向拉開,側(cè)面呈掃帚狀,但兩孔水舌橫向沒有完全分開,落點基本重合；校核工況和汛限水位水舌軌跡差別不大,水舌外緣挑距147.85 m左右,內(nèi)緣挑距23.65 m左右,縱向入水長度124.20 m,實測底孔出口最大水流流速40 m/s左右。在出口邊墩收縮的的導(dǎo)向作用下,兩孔水舌接近平行,沒有產(chǎn)生向心集中現(xiàn)象,各工況底孔頂板、底板所受壓力均為正壓,最大壓力為72.20×9.8 kPa,位于底孔進口胸墻上。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)水工模型試驗對放空泄洪底孔體型進行了綜合優(yōu)化,優(yōu)化后的過流流態(tài)和消能效果得到了明顯的改善,滿足工程正常運行需要。

（2）優(yōu)化后工作弧門后的跌坎水流形態(tài)較好,摻氣情況較為理想。水舌上面及下面的水翅摻氣充分,摻氣效果良好,能夠起到摻氣減蝕的效果。清水區(qū)、水翅區(qū)顯著遠離弧門支鉸,水流不影響工作弧門運行。

（3）優(yōu)化后的窄縫消能工利用水流紊動和碰撞、摻氣和空氣阻力消耗能量,又改變了水舌射程方向,使水流與下游河床主流一致,大大提高消能效果。

（4）水工模型試驗表明,放空泄洪底孔體型優(yōu)化設(shè)計合理。