豎井溢洪洞進(jìn)口段水工模型試驗研究

梁　遲

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

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豎井溢洪洞進(jìn)口段水工模型試驗研究

梁遲

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

摘要：通過建立水工物理模型，合理的確定堰頂高程，在設(shè)計、校核水位下，有效的增加下泄流量2.2%和3.2%；調(diào)整環(huán)形摻氣坎起坡點(diǎn)高程及坡度，水流流態(tài)穩(wěn)定，水流摻氣效果較好；增加挑流坎、摻氣孔可有效的降低堰面負(fù)壓值，使負(fù)壓值滿足規(guī)范設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：水工模型；溢洪洞；摻氣坎；挑流坎；流態(tài)穩(wěn)定

0前言

豎井泄洪洞是與導(dǎo)流洞結(jié)合改建 成永久泄洪洞的一種消能工形式[1]。傳統(tǒng)的豎井溢洪洞控制段易產(chǎn)生漩渦、影響泄流能力、產(chǎn)生結(jié)構(gòu)震動[2]。在WES堰與豎井連接段連接處易產(chǎn)生負(fù)壓，從而引起空蝕破壞[3]。根據(jù)模型試驗初步擬定體型的模型試驗結(jié)果顯示：設(shè)計水位和校核水位時的實(shí)測泄流能力均小于設(shè)計要求；堰頂部位存在較大的負(fù)壓區(qū)；因此，進(jìn)口溢流壩段體型的合理性直接影響泄流能力、水流穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文通過優(yōu)化堰頂高程、增加摻氣坎等措施對豎井溢洪洞進(jìn)口控制段物理模型進(jìn)行研究優(yōu)化，為今后相似工程設(shè)計提供參考。

1工程概況

吉音水利樞紐工程位于新疆和田地區(qū)于田縣境內(nèi)的克里雅河干流上，壩址位于克里雅河支流烏什開布隆達(dá)里亞河與克里雅河干流吾格也克河交匯口上游約830 m處，壩址以上控制流域面積6 375 km2，是克里雅河流域開發(fā)的控制性工程，是一項以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電的綜合性水利工程。

豎井溢洪洞由引渠段、進(jìn)口溢流控制段、豎井段、水平旋流段、平洞段組成。豎井溢洪道設(shè)計水位2 059.13 m，下泄流量493 m3/s,校核水位2510.773，下泄流量650 m3/s。控制段采用WES實(shí)用堰，堰頂高程2500.5m，WES堰的控制曲線方程為y=0.0827x1.85,曲線末端與半徑為12.5 m的圓弧曲線相接；控制段總長20.655 m。

2模型設(shè)計與制作優(yōu)化

表孔溢洪洞常壓水工模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型幾何比尺為1∶30，為便于觀察流態(tài)，模型進(jìn)口溢流控制段采用透明有機(jī)玻璃精細(xì)加工制作。有機(jī)玻璃糙率系數(shù)nM為0.008，根據(jù)曼寧公式按照模型比尺換算得到原型糙率nP為0.0141，與混凝土表面糙率0.014接近，基本滿足糙率相似條件。模型設(shè)計中相關(guān)物理量的比尺見表1。

表1　模型的主要尺寸關(guān)系表

3進(jìn)口堰頂高程優(yōu)化

表孔泄洪洞在不同水位時的流量系數(shù)隨著水位升高而增大。按照設(shè)計要求，設(shè)計水位的下泄流量為493 m3/s，根據(jù)模型實(shí)測流量與設(shè)計水位下泄流量進(jìn)行了比較。由表2可知，在設(shè)計水位及校核水位的實(shí)測泄量比設(shè)計要求的下泄流量分別小4.7%和3.9%，泄流能力不能滿足設(shè)計要求，因此需對堰頂高程做相應(yīng)調(diào)整。溢流堰頂高程降低0.5m，溢流堰頂高程降低后，溢洪洞在設(shè)計水位及校核水位兩個工況下的過流能力分別達(dá)到504 m3/s和671 m3/s，下泄能力較設(shè)計要求分別增大2.2%和3.2%，泄流能力能夠滿足設(shè)計要求并略有余量。

4進(jìn)口摻氣坎體型優(yōu)化

在溢流壩面增設(shè)摻氣坎，在坎后溢流壩面及漸變段之間形成穩(wěn)定的摻氣空腔。水流經(jīng)1:3的環(huán)形摻氣坎后主流折向上游側(cè)邊壁，并順著上游側(cè)邊壁泄入起旋室。摻氣環(huán)后靠上游側(cè)空腔長度較小，同時在靠下游側(cè)邊壁形成較大的摻氣空腔。豎井內(nèi)主水流及摻氣空腔形態(tài)均較穩(wěn)定，但豎井內(nèi)水流嚴(yán)重不對稱。

為改善豎井內(nèi)水流流態(tài)，經(jīng)試驗研究：通過調(diào)整溢流堰末端調(diào)坎體型可有效改善豎井水流流態(tài)。根據(jù)圖1和圖2顯示：環(huán)形摻氣坎起坡點(diǎn)高程由2 474.169 m調(diào)整為2 472.069 m，坡度由1∶3修改為1∶5。模型調(diào)整后，在各泄洪條件下，進(jìn)口段水面比較穩(wěn)定，無明顯波動，堰頂溢流控制段的水流呈自由堰流狀態(tài)，水流順暢。溢流堰末端挑坎至豎井連接段底部均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔，水流向豎井內(nèi)吸入大量氣體。摻氣環(huán)后主流比較順暢，沒有明顯的折流作用，豎井內(nèi)水流較模型修改前有明顯改善，且在不同工況泄流下，摻氣環(huán)下均能形成穩(wěn)定的空腔。經(jīng)比較表明：調(diào)整溢流堰末端調(diào)坎體型，水流流態(tài)穩(wěn)定，水流摻氣效果較好，是溢流壩及豎井段的理想體型。

表2　進(jìn)口優(yōu)化前后下泄流量對比表

表3　進(jìn)口堰面優(yōu)化前后壓強(qiáng)分布對比表

5進(jìn)口堰面體型優(yōu)化

在堰面布設(shè)15個監(jiān)測點(diǎn)，在設(shè)計水位和校核洪水位下，根據(jù)表3數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化前溢流堰面上存在較大的負(fù)壓區(qū)，設(shè)計水位泄洪時實(shí)測最大負(fù)壓為-36.2kPa，校核水位泄洪時的實(shí)測最大負(fù)壓為-43.4kPa。為有效的降低負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生的氣蝕破壞，在堰面設(shè)置摻氣坎，如圖3示：

圖1　優(yōu)化前摻氣坎體型

圖2　優(yōu)化后摻氣坎體型

設(shè)置摻氣坎后，根據(jù)表3監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：溢流堰面負(fù)壓明顯減小，實(shí)測最大負(fù)壓值有最大的-43.4 kPa減小為-8.9 kPa，滿足《溢洪道設(shè)計規(guī)范》要求。

6結(jié)論

1)表孔泄洪洞堰頂高程2500.50m時，在設(shè)計水位及校核水位的實(shí)測泄量分別為527.6 m3/s和684.05 m3/s；模型實(shí)測流量大于設(shè)計要求的下泄流量，泄流能力滿足設(shè)計要求，并有一定的超泄余量。

2)在豎井高程2474.169m處設(shè)置1：5的環(huán)形摻氣坎，在各種泄洪條件下坎后均能形成穩(wěn)定的摻氣空腔，豎井內(nèi)水流順暢，較1:3的環(huán)形摻氣坎，豎井內(nèi)水流具有顯著的對稱性。

3)設(shè)置挑坎及摻氣孔后，溢流堰面負(fù)壓明顯減小，滿足《溢洪道設(shè)計規(guī)范》要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]董興林，郭軍，肖白云等.旋流喇叭形豎井泄洪洞水力學(xué)機(jī)理及應(yīng)用[J].水利學(xué)報，2011.

[2]法爾維HT著.水工建筑物中的摻氣水流[M].王顯煥譯.北京：水利電力出版社，1984 .

[3]董興林，高季章，鐘永江，等.超臨界流旋渦豎井式溢洪道設(shè)計研究[J].水力發(fā)電，1996(1)：27-33 .

[4]吉音水利樞紐工程水工模型試驗研究綜合報告[R]中國水利水電科學(xué)研究院

Experiment and Research of Hydraulicmodel at Inlet Section of Spillway of Shaft

LIANG Chi

(Uygur Autonomous Regional Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation，Design and Research Institute Xinjiang，Urumqi 830000，China)

Abstract：By establishing the physical model for a hydraulic structure to conform reasonably the crest elevation，discharge was increased effectively by 2.2% and 3.2% under water design and check levels.The elevation and gradient of the initial sloping spot in circle air mixing bucket were adjusted to appear that the flow regime was stable，and the effect of water flow mixing was better.To increase the bucket and mixing air hole may reduce effectively the negative pressure value of weir surface for the negative value to meet the demands of specification design.

Key words：hydraulicmodel；spillway；air mixing bucket；trajectory bucket；fluid stability

文章編號：1007-7596(2016)04-0163-03

[收稿日期]2016-03-09

[作者簡介]梁遲(1983-)，男，工程師，從事水利水電勘測設(shè)計工作。

中圖分類號：TV651.1+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B