消除溢洪道堰后水流沖擊波的方案研究

陸 素 潔， 張 萍

(華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014)

1 概 述

岸邊式泄水建筑物多用于土石壩水利樞紐中，在多種型式的岸邊式溢洪道中，開(kāi)敞式溢洪道以其具有較大的超泄能力、檢修方便、地形適應(yīng)性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。該布置型式，通常在控制段后面使用過(guò)渡段，以便將堰體與窄深的泄槽平順地連接起來(lái)，過(guò)渡段呈平面縮窄式，邊墻隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，泄槽中水流受邊墻偏轉(zhuǎn)的影響，極易形成沖擊波。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，一般合理控制收縮段的長(zhǎng)度及角度，使引起沖擊波的高度最小，并盡量減少或消除收縮段以下泄槽中水流的擾動(dòng)。在地形條件有限，或?yàn)闇p小工程量，收縮段長(zhǎng)度無(wú)法滿足傳統(tǒng)要求時(shí)，如何消除沖擊波是類似溢洪道設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的難題。以下將通過(guò)某電站溢洪道模型試驗(yàn)成果，研究改善收縮段水流流態(tài)的措施。

2 某電站溢洪道設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 原溢洪道設(shè)計(jì)方案

某電站泄水建筑物采用岸邊開(kāi)敞式正槽溢洪道，自由溢流，布置于右岸壩頭，全長(zhǎng)約273 m。溢洪道由溢流堰、調(diào)整段、陡槽段和挑流鼻坎等結(jié)構(gòu)組成。為減少開(kāi)挖及混凝土工程量，同時(shí)又滿足溢洪道泄流能力要求，溢流堰寬度設(shè)為30 m，堰后通過(guò)40 m長(zhǎng)調(diào)整段進(jìn)行平面收縮，將過(guò)水?dāng)嗝鎸挾扔煽刂贫?0m收縮至泄槽段10 m。泄槽段采用矩形斷面，槽底縱坡1∶1.88，槽底板厚80 cm。出口采用挑流消能型式。溢洪道平面及剖面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 溢洪道平面及剖面布置簡(jiǎn)圖

2.2 模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。根據(jù)試驗(yàn)要求，采用模型比尺λL=45，相應(yīng)

水深比尺λH=40

流速比尺λV=400.5=6.32

流量比尺λQ=402.5=10 119.29

壓強(qiáng)比尺λp/γ=40

糙率比尺 λn=401/6=1.849

溢洪道及泄洪洞等泄水建筑物模型全部用有機(jī)玻璃制作，尺寸誤差小于0.3 mm，安裝高程誤差小于0.3 mm。有機(jī)玻璃糙率為0.0075左右，相當(dāng)于原型0.014左右。庫(kù)區(qū)模擬范圍至壩軸線上游約700 m處，溢洪道下游河道模擬長(zhǎng)度約450 m。

試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

2.3 原溢洪道調(diào)整段模型試驗(yàn)成果

在各種試驗(yàn)工況下，溢洪道進(jìn)口前來(lái)流平順，過(guò)堰水流為自由堰流，受調(diào)整段平面收縮的影響，水流在調(diào)整段內(nèi)形成沖擊波。圖2為P=1%時(shí)，溢流堰內(nèi)的水流流態(tài)。

表1 試驗(yàn)工況

圖2 調(diào)整段水流流態(tài)(P=1%)

沖擊波處過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉俸蛪毫Ψ植疾痪鶆颍⑴缮}動(dòng)，有可能損壞地板襯砌，因此，有必要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，消除沖擊波，使水流平順進(jìn)入泄槽。

2.4 溢洪道調(diào)整段設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

為優(yōu)化調(diào)整段內(nèi)的水流流態(tài)，應(yīng)優(yōu)化調(diào)整段設(shè)計(jì)，以下介紹兩種優(yōu)化方案：

方案一：采用傳統(tǒng)方法加長(zhǎng)調(diào)整段，減小邊墻偏轉(zhuǎn)角θ；

方案二：調(diào)整段末端設(shè)混凝土坎，使溢流堰與泄槽間形成一定長(zhǎng)度的“消力池”結(jié)構(gòu)，對(duì)進(jìn)入泄槽前的水流起調(diào)節(jié)作用。

(1)方案一

為確定收縮調(diào)整段的長(zhǎng)度，可通過(guò)以下簡(jiǎn)化公式試算求得邊墻偏轉(zhuǎn)角θ：

sin(β-θ)=1/Fr1

式中符號(hào)意義如圖3所示。

通過(guò)上式試算求得，P=0.05%工況下，邊墻偏轉(zhuǎn)角θ=8°。由此可知，收縮段長(zhǎng)度L=71 m。

(2)方案二

為優(yōu)化調(diào)整段內(nèi)的水流流態(tài)，擬在調(diào)整段末端設(shè)混凝土坎，混凝土坎上游面為圓弧倒角，使水流平順進(jìn)入下游泄槽。消力池長(zhǎng)度及消力坎高度根據(jù)水力計(jì)算確定，保證過(guò)堰水流為自由堰流，且在消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍。消力池長(zhǎng)度與消力坎坎高計(jì)算采用如下公式：

圖3

圖4

為了使消力池內(nèi)產(chǎn)生淹沒(méi)度不大的水躍，坎前水深hT應(yīng)為：

hT=c+H1

式中c為坎高；H1為坎頂水頭。

聯(lián)解上面兩式，可得到計(jì)算坎高為：

消力池池長(zhǎng)取池內(nèi)水躍躍長(zhǎng)的0.8倍，池內(nèi)水躍躍長(zhǎng)Lj按下式計(jì)算：

Lj=10.8hc(Frc-1)0.93

應(yīng)計(jì)算所有工況下的池內(nèi)水躍躍長(zhǎng)，取其中的最大值來(lái)計(jì)算消力池池長(zhǎng)。

由上式計(jì)算取調(diào)整段L=40 m，坎高C=2.0 m。

(3)優(yōu)化后的溢洪道設(shè)計(jì)方案

經(jīng)以上兩種方法計(jì)算可知，方案二的調(diào)整段長(zhǎng)度較方案二明顯縮短，具有明顯優(yōu)勢(shì)，擬選用方案二作為消除溢洪道調(diào)整段沖擊波的優(yōu)化方案。

調(diào)整段寬度由30 m過(guò)渡至10 m，過(guò)渡段長(zhǎng)40 m。消力池調(diào)整段末端設(shè)2 m高的消力坎，其上游面設(shè)R=50 cm的圓弧倒角，坎頂寬約0.84 m。調(diào)整段底板高程為246.52 m，底板厚0.8 m，通過(guò)錨筋與基巖錨固。

圖5 優(yōu)化后溢洪道調(diào)整段結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 優(yōu)化后溢洪道模型試驗(yàn)成果

在各種試驗(yàn)工況下，溢洪道進(jìn)口前來(lái)流平順，過(guò)堰水流為自由堰流，在消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍，在P=1%和P=0.05%工況下，實(shí)測(cè)消力池內(nèi)最大水深分別為8.92 m和6.16 m，出池水流至泄槽內(nèi)，水面線平順，未發(fā)現(xiàn)明顯的跌落現(xiàn)象，見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 優(yōu)化后調(diào)整段水流流態(tài)(P=1%)

3 結(jié) 語(yǔ)

圖7 溢洪道進(jìn)口水流流態(tài)(P=0.05%)

該電站溢洪道在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整，調(diào)整所取得的有益效果是：

(1)溢洪道進(jìn)口前來(lái)流平順，過(guò)堰水流為自由堰流，在消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍，有效消除了堰后沖擊波對(duì)底板、邊墻等結(jié)構(gòu)造成的不利影響。

(2)消力池末端至泄槽連接段，水面線平順，泄槽水面波動(dòng)現(xiàn)象消除。

(3)加大了調(diào)整段收縮角，有效縮短調(diào)整段長(zhǎng)度，減少了開(kāi)挖及混凝土工程量，節(jié)約投資。

(4)施工十分簡(jiǎn)單、方便，與底板整體澆筑，運(yùn)行安全可靠。為類似溢洪道工程的設(shè)計(jì)提供了消除水流沖擊波的有效措施和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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