廟堂水庫溢洪道中墩水翅消減研究

付旭輝，劉志慶,龔 敖，羅媛媛,刁云川，胡光平

(1.重慶交通大學河海學院，重慶 400016；2.重慶交通大學國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400016；3.廣東珠榮工程設(shè)計有限公司重慶分公司，重慶 400016)

溢洪道是水庫樞紐工程的重要組成部分，是保證水庫大壩安全的重要設(shè)施，水翅現(xiàn)象則是溢洪道及泄洪洞等泄水建筑物閘室中墩后常見的一種水力現(xiàn)象。它的存在，尤其是在高流速大流量的情況下，將給相應的泄水建筑物造成嚴重的危害。一方面，水翅交匯時能量集中，容易對泄槽的底板造成沖擊；另一方面，水翅產(chǎn)生的邊墻折沖波在接觸邊墻以后會使得水流涌高甚至翻越邊墻，給邊墻以及周邊的建筑物和地質(zhì)環(huán)境造成嚴重的破壞[1]，大量的工程實例中水翅的破壞性都體現(xiàn)于此。如天生橋一級水電站溢洪道溢流堰閘墩尾部所形成的水翅，產(chǎn)生了很高的水冠，造成相應水工建筑物的危險[2]。

由于水流邊界條件和水翅產(chǎn)生機理均較復雜。對于工程中水翅問題，以前一般采用水工模型試驗進行研究。目前，解決這一問題的最佳手段就是在中墩尾部增加斜尾墩。如段維鈞[3]在20世紀80年代初所做的研究。李楨等[4]采用比尺為1∶60的正態(tài)物理模型對溢洪道體型進行優(yōu)化試驗研究。結(jié)果表明，在閘墩尾部加設(shè)尾墩，使泄槽段水流流態(tài)有了極大的改善，水流平順，基本上消除了水翅現(xiàn)象。陳斌等[5]結(jié)合工程實際，通過試驗對尾墩及挑坎體型進行優(yōu)化，對比分析了在閘墩后設(shè)置尾墩及溢流壩邊墻偏轉(zhuǎn)不同角度的優(yōu)化效果。結(jié)果表明，通過在閘墩后設(shè)置合理尾墩,可基本消除閘室出口水翅現(xiàn)象。郭瑾瑜等[2]采用Realizable k-ε模型和VOF多相流方法，對溢洪道引水渠、溢流堰和泄槽段進行三維數(shù)值模擬。分析了中墩尾部水翅的成因與影響因素。并且采用物理模型試驗進行驗證，得出增設(shè)斜尾墩能夠較好地解決溢洪道中墩水翅問題。王川等[6]以印度尼西亞 Jatigede 大壩溢洪道中墩后形成的水翅為研究對象，在斜尾墩的基礎(chǔ)上，將其側(cè)面直線段改進為流線型，并通過數(shù)值模擬和水工模型試驗的方法得到其消除水翅效果優(yōu)于普通斜尾墩。石巖[1]通過數(shù)值模擬的方法得到了水翅流場的特征與運動規(guī)律，從水翅形成機理角度對水翅現(xiàn)象加以分析研究。分析各種閘墩尾部形式對流場的作用，對比水工模型試驗結(jié)果，從不同的角度對工程設(shè)計進行優(yōu)化研究，同時深入地闡述水翅現(xiàn)象的基本原理。薛宏程等[7]利用量綱分析和物理模型試驗方法，對溢洪道閘墩后水翅的水力特性和消減措施開展研究。試驗結(jié)果表明，影響水翅長度和高度的主要因素有閘墩尾部出口處的弗勞德數(shù) Fr0、溢洪道坡度i、閘墩寬度等，提出的復合式斜尾墩比傳統(tǒng)四棱臺型尾墩能更好地避免水翅發(fā)生，為實際工程消除水翅現(xiàn)象提供了新思路。

廟堂水庫工程在進行模型試驗時發(fā)現(xiàn)在閘墩尾部出現(xiàn)了水翅現(xiàn)象，造成泄流流態(tài)不穩(wěn)定，威脅到溢洪道的結(jié)構(gòu)安全。本文采用水工模型試驗對廟堂水庫溢洪道中墩水翅進行研究。針對不同的尾墩體型進行研究，找出適合本工程溢洪道的中墩尾墩體型。

1 工程概況

廟堂水庫工程位于重慶市巫山縣平河鄉(xiāng)境內(nèi)，壩址所在河流屬大寧河左岸一級支流后溪河，距巫山縣城區(qū)98 km。該工程是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村人畜飲水等綜合利用功能的水利工程。廟堂水庫工程為Ⅲ等中型工程，該工程是一座具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村人畜飲水等綜合利用功能的水利工程。壩址以上控制集雨面積19.62 km2。 總庫容1 064萬m3，多年平均可供水量1 881萬m3。水庫正常蓄水位1 118.00 m，100年一遇設(shè)計洪水位為1 118.33 m，1 000年一遇校核洪水位為1 119.91 m。根據(jù)廟堂水庫壩址兩岸的地形、地質(zhì)條件，溢洪道布置在大壩左岸的基巖上，為有閘控制正槽溢洪道。由進口段、控制段、泄槽段、消能工等組成，總長501.94 m。大壩為瀝青心墻堆石壩，最大壩高107 m，級別為2級，溢洪道、取水塔級別為3級，設(shè)計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1 000年一遇，消能防沖設(shè)計洪水標準為30年一遇。工程由大壩樞紐工程、借水工程和供水工程三部分組成。

2 模型試驗

2.1 模型設(shè)計

水工模型依據(jù)重力相似準則設(shè)計，采用1∶30幾何比尺制作。整個水工試驗模型主要包括庫區(qū)、溢洪道進口至護坦、下游河道地形(動床)、尾門、沉沙池等。溢洪道水工模型整體材料采用有機玻璃，實測模型糙率為0.008 0～0.008 5，換成原型為0.014～0.015，與提供的混凝土糙率十分接近，基本滿足阻力相似條件。各物理量主要的比尺關(guān)系見表1。

表1 模型主要比尺關(guān)系

2.2 試驗控制

根據(jù)初步任務書和所在河段的水文地質(zhì)資料，在三級流量下進行模型試驗，模型試驗工況參數(shù)見表2。

表2 溢洪道試驗工況

2.3 試驗方案

試驗共對比研究3種體型方案，體型1采用傳統(tǒng)的橢圓型尾墩，見圖1a；體型2為中墩加裝斜尾墩，結(jié)構(gòu)設(shè)計基于文獻[8]中提出的水翅消能工體型[8]，見圖1b、1c；基于體型2、3將前后端面以直線連接的方式改為流線型曲線連接，使斜尾墩邊界更接近水流流線，具體型式為王川等[6]提出的新型尾墩，見圖1d、1e。

a)體型1中墩體型

b)體型2中墩體型俯視

c)體型2中墩體型側(cè)視

d)體型3中墩體型俯視

e)體型3中墩體型側(cè)視

其中圖1b、1d中墩尾墩a為中墩厚度的3～4倍；b為中墩厚度；c為中墩厚度的1/7～1/8；當溢流堰為寬頂堰、實用堰時d分別為安裝處水深的1.0～1.1、0.5～0.6倍；圖1d、1e中墩尾墩的后端面為鉛直方向；e為所在處水深的1.0～1.1倍。3種中墩體型參數(shù)見表3。

表3 3種中墩體型結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 水翅流態(tài)分析

流態(tài)是水力條件是否優(yōu)劣最直觀的判斷，也是判斷泄水建筑物體型是否合理的最有效的依據(jù)[1]，選取3種體型在3個工況下的流態(tài)為例，見圖2—4。

圖2 體型1—3水翅形態(tài)，工況1(Q=254 m3/s)

圖3 體型1—3水翅形態(tài)，工況2(Q=302 m3/s)

圖4 體型1—3水翅形態(tài)，工況3(Q=387 m3/s)

由圖2—4可知：體型1在各個工況下，兩邊邊墻在邊墩的近壁面水位明顯高于中墩近壁面的水位，且沿程水面線在中墩尾部先凹后躍起，為水翅的形成提供了有利條件。由模型試驗可知，水流在尾墩后的沿壩軸線位置的流速分量速度突增，2股高雷諾數(shù)的水流對沖使尾墩處水面線下降，在尾墩處形成一個較大區(qū)域的空腔水翅產(chǎn)生的急流沖擊波嚴重影響水流的正常下泄。同時水翅現(xiàn)象有可能造成水流外溢，嚴重影響溢洪道的結(jié)構(gòu)安全和運行安全[4]，從模型試驗可以看出水翅現(xiàn)象隨著流量的變大不斷加強，對于大流量泄洪時，水翅嚴重威脅到溢洪道的結(jié)構(gòu)安全。校核工況下水翅現(xiàn)象較為劇烈，并且在溢洪道內(nèi)擺動，引起溢洪道底板沿程壓力波動。與體型1相比，體型2中的斜尾墩通過減小墩后水流交匯角度，使 3個工況的水翅規(guī)模均明顯消減，且原來水翅向左岸傾斜、擾亂水流下泄的情況也有所改善，但溢洪道左中右的水面線高度不一，水面仍不平穩(wěn)。且由于斜尾墩兩側(cè)為直線連接，導致水流直線下泄，中墩兩側(cè)的水流形成強烈對沖。在水翅最前端形成類似水柱直插反弧段，對其流速分布和流態(tài)均有不利影響[4]。體型3相較于前兩種體型，可以看出水翅的高度和長度均明顯減小，并且兩孔水流交匯對沖角度明顯減小。溢洪道左中右的水面線基本一致，溢流面流態(tài)良好。體型3側(cè)面采用三次拋物線的銜接形式，更接近于泄流流線，可以使溢洪道水流更加平順，使得水流更加穩(wěn)定[4]，使水流在尾墩末端交匯時不易產(chǎn)生碰撞，避免了能量急劇轉(zhuǎn)換帶來的高強度水流對沖，有利于溢洪道的結(jié)構(gòu)安全。

3.2 水翅形態(tài)參數(shù)分析

根據(jù)觀察溢洪道閘墩后的水翅現(xiàn)象，定義了相關(guān)參數(shù)見圖5。Lw和Hw分別是水翅的長度和高度，水翅長度是水翅起點到水翅落水點的距離，反映了水翅在泄槽縱向的影響范圍;水翅高度是水翅躍起的最高點到泄流水面線的距離，該值為設(shè)計溢洪道邊墻的高度提供參考。Hc是閘墩后兩股水流失去墩壁約束后下跌的豎向高度[7]。

圖5 溢洪道閘墩后水翅及參數(shù)示意

此次模型試驗主要通過對Hw、Lw和Hc3個參數(shù)的對比來研究3種中墩尾墩體型在消除水翅方面的作用，從而選出適合此工程的中墩尾墩體型。水翅形態(tài)參數(shù)見表4，庫水位與各水翅參數(shù)的關(guān)系曲線見圖6。

由表4、圖6可看出：體型1各工況的水翅高度均在2 m以上，長度均大于31.20 m，約為水翅高度的15倍，并且下凹深度在0.9 m以上，在校核洪水工況下，下凹深度達到了1.27 m，嚴重干擾了溢洪道的正常泄流。與體型1相比，體型2通過減少水流的對沖角度和下凹深度消減水翅高度約30%左右，但是對于水翅長度的消減作用不大，最多只消減了17%(消能設(shè)計工況)，說明體型2主要是通過減小水面的下凹深度和水翅高度消減水翅；在不同庫水位下，體型3的水翅長度和下凹深度較體型2有較大程度的降低，表明體型3能更好地消減水翅，主要是通過減小水翅的長度和下凹深度實現(xiàn)[9]。表明體型3在消除中墩水翅方面優(yōu)于體型1、2。同時隨著庫水位的上升，水翅的各項參數(shù)值也相應增大，表明水翅隨著下泄流量增大而增大[9]。

表4 水翅形態(tài)參數(shù)

a)庫水位-水翅長度關(guān)系

b)庫水位-水翅高度關(guān)系

c)庫水位-下凹深度關(guān)系

4 結(jié)論

a)水翅的大小與水面下凹深度與長度、庫水位和尾墩體型等因素密切相關(guān)，通過修改中墩尾部體型，降低中墩尾部水面下凹深度與長度，有助于消減水翅。

b)將尾墩前后端面的銜接改為更接近于流線的三次曲線是可行的，對于溢洪道泄流更加有利，相較于直線連接泄流流態(tài)更好。故采用體型3為該工程的中墩尾墩。

c)試驗結(jié)果對類似工程有一定的參考價值，但應用到實際工程中時，還應對其氣蝕、空化問題做進一步的試驗研究，以保證水庫溢洪道的平穩(wěn)、安全運行。