消能工在白楊河水庫的聯合應用

湯 慧,劉亞坤,倪漢根

(大連理工大學建工學部水利工程學院,遼寧 大連 116024)

1 工程概況

白楊河水庫位于阜康市滋泥泉子鎮南部山區,北距吐烏大高等級公路垂直距離3 km,是白楊河上的一座控制性山區水庫,在滿足灌溉的前提下,向工業園區供水,同時兼顧防洪,是一座具有綜合利用任務的水利工程。

白楊河水庫樞紐工程由粘土心墻壩、導流泄洪兼放水洞、開敞式溢洪道等主要建筑物組成。開敞式溢洪道利用河道地形,將其布置在右岸壩肩上。溢洪道軸線與壩軸線夾角70°,堰頂高程1006 m,設計泄水量105.55 m3/s,校核泄水量144.48 m3/s。

開敞式溢洪道由進口引渠段、控制段、泄槽段、出口消能段等組成。進口引渠段:引渠長77.65 m,進口底板高程1003 m,縱坡 i=0,梯形斷面。控制段:堰型采用WES堰型,堰頂高程1006 m,堰高3 m,堰后接1∶3.5陡坡段,溢流堰設1孔,單孔凈寬 5 m,采用弧形工作門擋水,另設平板檢修門。泄槽段:泄槽主要通過壩肩岸坡,采用臺階式消能方式,臺階高度1m,寬3.5 m。結合地形縱坡1∶3.5,底寬5 m。出口消能段:出口段采用底流消能,消力池長25 m,寬8 m,池深1.4 m,底板高程943.68 m。護坦長30 m,底板混凝土厚1.0 m。護砌段后為開挖不襯砌泄水渠段與河道平順連接。

2 原方案試驗成果

2.1 模型設計

模型是按重力相似準則設計,縮放比例為1∶25的正態模型,模型的剖面如圖1所示。流速儀采用南京水科院制造的光電流速儀。護坦采用砂漿制作,護坦后布置鉛絲籠填塊石軟保護,在石籠后50 m長范圍內設局部動床,以檢驗沖刷情況,模型試驗中根據基巖的抗沖能力,采用原型基巖的允許流速換算成模型流速后作為起動流速的方法來選擇模型沖料粒徑,經模型試驗與工程實例驗證,模型沖料粒徑采用公式V=MD1/2計算(M取值5～7),抗沖流速V根據設計院提供值取2.0 m/s,選的模型砂粒徑D為3.0mm～6.4mm(相當于原型75mm～160mm),沖刷時間為2 h(相當于原型10 h)[1]。

圖1 原方案模型剖面圖

2.2 試驗成果及存在的問題

試驗工況組合如表1所示[2]。

表1 原方案試驗工況

試驗中觀察到,各庫水位工況下,溢流堰來流基本平穩,堰上游流速較小。庫水位1007.20 m時,階梯泄槽段內呈現舌形跌落狀水流,水層較薄,由階梯逐級跌落后,在階梯跌坎下游面形成空腔;設計洪水位1011.01 m及校核洪水位1012.28 m時,階梯泄槽段內呈現滑移狀水流,此流態從上游到下游按摻氣情況可分為三部分:光滑水流、摻氣過渡區水流和完全摻氣水流[3]。水面由平順、光滑過渡到波動跳躍、水滴飛濺,階梯跌坎下游面形成穩定的漩渦,階梯槽面的流速為9 m/s～14 m/s,大大減小了進入消力池的流速和動能。

泄槽段總體來看,布置的臺階增加了槽面的“表面糙率”,加劇了水流紊動,增加了水流摻氣量,增大了沿程水深,從而使得流速降低,泄流消能效率提高。

在庫水位1007.20 m的工況下,消力池內水流平順,消能充分;設計洪水及校核洪水的工況下,消力池內水流波動、旋滾強烈,尤其是校核洪水泄流時,甚至有部分水躍沖出消力池,可以明顯看出消力池的尺寸不足;實測池出口的平均流速為6.83 m/s,池后護坦上水流紊亂,存在較大的波浪,流速分布也不均勻,護坦中間實測平均流速為2.84 m/s,末端實測平均流速為5.08 m/s,水流以波狀水躍形式向下游傳播較遠,對下游河床有一定的沖刷作用,從沖刷的結果來看,第四、第五排護坦發生坍塌移動,在距護坦末端11.2 m范圍,沖坑深1.1 m,上游沖坑反坡約為1∶10。校核洪水位時的泄流流態及護坦沖刷后的地形如圖2和圖3所示。

圖2 校核洪水泄流流態

圖3 校核洪水沖刷后地形

依據原方案試驗結果分析,解決該溢洪道消能防沖問題的關鍵是使消力池內形成完整穩定的水躍,提高池內消能效率,改善護坦上水流流態,消除波浪,減小護坦末端的水流流速。

3 修改方案試驗成果

對消力池及護坦分別進行了以下幾種優化方案的試驗。方案1:在消力池入口7.5 m處加一高為1.25 m、上寬0.75 m、下寬1.625 m的消力坎;方案2:去掉消力坎,消力池挖深1 m,長度加長5 m;方案3:在方案2的基礎上消力池再挖深1m,護坦、石籠高程均降低1 m,護坦加長10 m;方案4:在方案3的基礎上護坦中間加三排梯形消力墩,消力墩差動布置。

試驗結果表明,校核洪水位泄流時,方案1池內雖然能夠形成強迫水躍,但出池水流跌落在護坦上,護坦水面波動仍較大,護坦末端流速為7.19 m/s,未能達到消能的目的;方案2消力池內可以形成完整的水躍,但池出口水流與下游銜接不夠平順,水流紊亂,致使護坦末端流速依舊達到了6.24 m/s;方案3消力池出口平均流速降至5.60 m/s,下游護坦水深增加,護坦末端流速降為4.74 m/s,沖刷后護坦及石籠均安全穩定,但對護坦上三個斷面的水深、流速測量結果顯示,護坦上的水深、流速分布不均勻,即護坦上水流擴散不均勻,這對護坦以及下游的沖刷是不利的,為了達到更好的消能效果,進行了方案4的優化試驗,在護坦中間(樁號0+254.00m)加三排消力墩,并測量了護坦上同樣三個斷面的水深、流速,實測數據見表2和表3。校核洪水時的泄流流態及護坦沖刷后的地形見圖4和圖5,消力墩布置見圖6、圖 7。

表2 方案3護坦上的水深及流速

表3 方案4護坦上的水深及流速

圖4 方案4校核洪水泄流流態

圖5 方案4校核洪水沖刷后地形

圖6 消力墩平面布置圖(尺寸單位mm,高程單位m)

圖7 消力墩剖面布置圖(尺寸單位mm,高程單位m)

試驗中還對方案4各水位下階梯段的消能率進行了計算,計算結果如表4所示。表中消能率 η的計算公式為:

式中:H1為以最末段臺階為基準面的上游水體總能量,以此基準面算得的進口高程z1=57.908 m,v1可忽略不計;H2為最末段臺階上水流具有的能量,最末段臺階高程z2=0。

表4 階梯溢洪道的消能率

通過模型試驗觀察、比較4種修改方案,可以看出方案4中,階梯消能與消力池水躍消能配合較好,各工況階梯泄槽段的消能率均達到84%以上,水流經過下游護坦上的消力墩后,內部結構得以調整,流速分布較為均勻,護坦末端流速降為2.84 m/s,符合護坦及下游的抗沖要求。階梯消能工作為主要的消能元件,消殺了大部分水流能量,消力墩作為輔助消能元件,起到了強化消能的作用,聯合運用二者最終達到了消能充分,與下游水流平順銜接的目的。

4 結 論

當溢洪道泄流落差較大,受下游河道地形、河床地質條件等限制需采用底流消能時,所需消力池往往又深又長,其造價要占整個建筑物的40%[5],若采用階梯消能工,人工對光滑的溢流面“加糙”,可以大大增加泄槽段的消能率,減小消力池的尺寸,節省工程投資,還可避免流道產生空蝕破壞的危險[6];若下游護坦上流態較差,仍有余能需要消殺,則采用消力墩可以達到增強水流擴散能力,改善流速分布,減小沖刷的效果[7]。本文對白楊河水庫樞紐工程溢洪道進行水力模型試驗研究,試驗數據顯示校核洪水工況下,階梯溢洪道的消能率為84.5%,護坦末端流速為2.84 m/s,證明了采用階梯消能與底流消力池、消力墩聯合消能的優化方案不僅可以避免護坦及下游河床受到沖刷,還可最大的發揮經濟效益。

[1]劉亞坤.水力學[M].北京:中國水利水電出版社,2008:96-97.

[2]黃智敏,何小惠,朱紅華.陡槽溢洪道階梯消能特性試驗研究[J].水利水電工程設計,2006,25(4):47-49.

[3]劉亞坤,倪漢根.白楊河水庫水工模型試驗初步報告[R].大連:大連理工大學,2010.

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[5]戴文勝,謝新生,王旭.臺階式溢洪道的消能及其應用價值的探討[J].山西水利科技,2006,(3):16-18.

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