臺階式溢洪道體型設計及摻氣減蝕優化試驗研究

李佳綸

臺階式溢洪道體型設計及摻氣減蝕優化試驗研究

李佳綸

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

根據三塘溝水庫基本情況，建立水工模型試驗得出原設計方案無法滿足下泄流量要求，通過水工模型試驗對其進口體型進行調整后可安全下泄設計流量，臺階起始端兩側通氣孔摻氣效果明顯，第4級臺階開始摻氣充分，原設計摻氣位置設計合理，所有運行工況下，水流空化數最小值為0.29，故該工程不會發生空化空蝕破壞。體型修改方案和空化數的計算可為類型工程提供參考。

臺階式溢洪道；體型優化；摻氣減蝕；空化數

近年來，我國的水利水電工程建設技術取得了重要突破，建成了三峽、小浪底、南水北調工程等一批具有世界水平的工程[1]。泄水建筑物作為樞紐工程中較重要的組成部分，通常引起設計人員的重視，但通常采用理論公式計算出的結果無法真實反映泄水建筑物運行時的真實工況，因此需通過水工模型試驗來對其進行驗證，能夠較真實地觀測出建筑物的流態、流速、水面線等水力學參數，提出優化措施，為設計人員提供參考[2]。

1 模型試驗

1.1 工程概況

三塘溝水庫位于位于烏魯木齊市及昌吉市以南，距離兩市均約40 km處的頭屯河中游，為瀝青砼心墻砂礫石壩，壩頂高程984.25 m，防浪墻高1.2 m，壩頂寬8.0 m，大壩建基面高程為884.00 m，壩高100.25 m，壩頂長201.26 m，上游坡比為1∶2.5，下游坡比為1∶2.2。

開敞式溢洪道位于大壩右岸，按100年一遇設計，2000年一遇校核。溢洪道采用直線布置，堰軸線與大壩軸線夾角為153.53°，為開敞式正槽岸邊溢洪道，設閘門控制。溢洪道包括進水渠、控制段、泄槽和消能防沖設施四部分組成，總長305.21 m。控制段溢流堰利用3扇6 m×4.0 m（寬×高）的弧型閘門控制，控制段后35m為漸變段，漸變段后等寬15 m，泄槽采用矩形斷面，縱坡24.6%，消能防沖設施采用底流消能。

1.2 模型設計與制作

模型按重力相似準則設計，根據委托方對模型試驗的任務要求，并結合實驗室場地等條件，經雙方商定后，采用比尺Lr＝60。流量比尺Qr=Lr5/2=27885.5，流速比尺Vr=Lr1/2=7.746，時間比尺Tr=Lr1/2=7.746，糙率比尺Nr=Lr1/6=1.979。模型試驗布置見圖1。

圖1 溢洪道水工模型試驗布置圖

1.3 試驗結果分析

1.3.1 泄流能力分析

從表1中的測驗數據可以看出，當庫水位為校核洪水位時，模型實測的泄流量為1188.88 m3/s，比設計泄流量1240.8 m3/s小4.18%，說明校核洪水位泄流量不滿足設計。同樣對于設計洪水位978.59m和正常蓄水位978.49m來說，其泄流量也分別小于設計值3.44%和3.19%，故應調整進口導墻線型，改善進口水流流態，使水流更加順暢，以達到增加下泄流量的目的。

表1 原設計方案各特征庫水位的試驗實測流量表

1.3.2 摻氣效果分析

試驗按照原設計方案的摻氣槽位置，在0+084.33位置的臺階左右兩邊設置通氣孔，當庫水位在校核洪水位時，摻氣空腔穩定，空腔長度為4個臺階距離，見圖2。由于水流摻氣充分，故模型臺階水流呈現為乳白色。對設計洪水位來說，摻氣空腔依然穩定，長度基本和校核洪水位相同，故原設計方案摻氣位置設置合理，摻氣空腔穩定。

圖2 溢洪道水工模型試驗布置圖

2 模型調整

2.1 模型體型調整

新設計方案主要是將溢洪道縱向線型進行了調整，其中：從閘室進口到達漸縮段末端0+050.30之間依然保持原設計體型不變。從0+050.30位置向下，一直到達溢洪道末端，新方案還是保持原設計中心線不變，且泄水建筑物寬度依然為20 m。從0+064.82～0+083.43為半徑30 m的正圓弧曲線；0+083.43～0+125.73是臺階段，臺階比降i=1∶0.9；0+125.73～0+144.63為半徑30 m的反圓弧曲線；然后與i=1∶10的輸水渠連接，輸水渠樁號0+144.63～0+214.63；后接1∶3比降陡坡0+214.63～0+264.63；消力池從0+264.63～0+304.63；為了便于模型試驗修改優化，在新設計體型制模時，將新設計方案消力池從設計的40 m長變為60 m，其他位置按照新設計方案進行模型的加工和制作。通過對新設計方案校核洪水位和設計洪水位的試驗，可以看出，正圓弧、臺階、反弧以及輸水渠道水流都比較順暢，泄流能力滿足設計要求。

2.2 摻氣減蝕試驗

由于臺階面上的水流在不同單寬流量時，其流態不同[3-5]。消能機理也不同，臺階面流態較為復雜。當單寬流量較小時，水流呈舌狀跌落水流，消能形式基本類似多個小跌水連續消能。隨著單寬流量的逐漸增大，舌狀跌落水流向滑移水流轉化，而臺階面在滑移流條件下，水流的能量主要通過水流在臺階面上的裂散、摻氣以及主流和底部漩渦之間的紊動交換實現消能。文獻[6-7]認為，臺階面上的滑移流按摻氣特征可以劃分為3個區域，即非摻氣區、摻氣發展區和充分摻氣區。在非摻氣區和摻氣發展區，由于該區段水流沒有摻氣或摻氣不充分，試驗觀察到其水體為透明或半透明形態。鑒于臺階面在臺階的突出點高速水流通過時，有可能出現負壓，從而引起空化空蝕破壞。加上臺階面的壓強變化梯度大，為了保證其安全正常的運行，應該考慮臺階面的摻氣減蝕問題。

按照設計要求，通氣孔設置在第一個臺階位置。由于在正圓弧末端的切線斜率（i=1∶1.2）緩于臺階段的坡度（臺階坡度i= 1∶0.9），所以該處設置通氣孔不需要專門設置摻氣挑坎，體型本身就相對于設置了一個i=1∶0.144的摻氣挑坎，自然具有摻氣挑坎的作用，這一點也得到試驗的證明。校核洪水位工況的摻氣空腔流態見圖1。從圖中可以看出，其摻氣空腔穩定，摻氣充分，各特征工況的摻氣孔通風量見表2。

2.3 空化數分析

對于臺階面以下流速較大區段而言，依然是最容易發生水流空蝕破壞的位置，因此必須對其水流的空化數進行分析，給設計提供必要的參考依據。通過對推薦的拋物線體型沿程流速分布和沿程壓強的試驗測驗，按照水流空化數計算公式：

表2 特征運行工況的摻氣孔通風量表

表3 臺階面以下溢洪道水流空化數計算結果

式中：σ為水流空化數；ha為大氣壓強水柱高m，（ha=10.33-）；h0，v0為斷面的時均動水壓強水柱高m和實測斷面流速m/s；hv為水的汽化壓強水柱高，在t=20℃時，hv=0.24 m；g為重力加速度m/s2；Z為工程所在位置的海拔高程m。

進行水流的空化數計算，結果見表3。

從表3的計算結果看，所有運行工況下，水流空化數最小

3 結語

由于本工程地基承載力較高，地基處理的目的主要是控制沉降和消除液化，減沉復合疏樁基礎在控制沉降上都能達到較好的效果，但需要采取其它消除液化的措施。在采取圍封消除液化情況下，減沉復合疏樁基礎可以和圍封板樁采用同樣設備施工，避免設備的二次進場，節省工程投資。

龍津閘站已于2015年12月底完工驗收，運行良好，采用減沉復合疏樁基礎效果，無論從地基處理效果，還是經濟上都非常具有優勢,對于類似工程地基處理有很好的借鑒作用。

[1]汕頭市東部城市經濟帶新津片區河口治理及綜合開發項目巖土工程勘察報告［R］.上海：上海海洋地質勘察設計有限公司，2008年9月.

[2]SL 265-2001，水閘設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2004.

[3]JGJ 79-2012，建筑地基處理技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4]JGJ94-2008，建筑樁基技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.值為0.29。根據以往研究成果和工程運行實踐成果，認為當水流空化數小于0.22時，應考慮采取摻氣減蝕工程措施，避免空蝕破壞的發生。按照此標準，認為該工程不會發生空化空蝕破壞。

3 結論

本文通過模型試驗對三塘溝水庫臺階式溢洪道的體型、泄流能力、摻氣效果、空化數等進行了研究分析。通過模型試驗發現，原方案設計和校核工況下其泄流量也分別小于設計值3.44%和3.19%，溢洪道泄流能力不滿足設計要求，通過水工模型試驗進行體型調整，調整后的溢洪道正圓弧、臺階、反弧以及輸水渠道水流都比較順暢，泄流能力滿足設計要求。最后對溢洪道水流的空化數進行分析可知，溢洪道不會產生空蝕破壞。

參考文獻

[1]田嘉寧,大津巖夫,李建中,安田陽一.臺階式溢洪道各流況的消能特性[J].水利學報,2003,04:35-39.

[2]張志昌,曾東洋,劉亞菲.臺階式溢洪道摻氣特性的試驗研究[J].應用力學學報,2003,04:97-100+167.

[3]張志昌,徐嘯.臺階式溢洪道非摻氣水流水面線的計算[J].水利水運工程學報,2012,01:30-35.

[4]尹芳芳,張志昌,曹偉濤.設有摻氣挑坎的臺階式溢洪道的三維數值模擬[J].電網與清潔能源,2010,04:68-72.

[5]郝永志.臺階式溢洪道流場三維數值模擬研究[J].黑龍江水利科技,2016,08:3-7.

[6]白呈富.高水頭溢洪道的摻氣減蝕與消能防沖研究[D].武漢大學, 2005.

[7]張天剛,楊再宏,高學平.坎槽式摻氣減蝕措施在溢洪道設計中的應用[J].云南水力發電,2004,05:69-72.

Experimental Study on Optimization of Corrosion of Stepped Spillway Shape Design and Aeration Reduction

Li Jialun
（XinjiangWater Resources and Hydropower Surveyand Design Institute,Urumqi 830000,Xinjiang）

Accordingtothe basic situation ofSantanggou reservoir,the hydraulic model test was carried out tofind that the original design scheme could not meet the requirement of discharge flow.After adjusting the inlet size of the inlet model,the design flowrate could be safely vented.Gas effect is obvious,the fourth level began to fully aerated,the original design aeration location design is reasonable,all operatingconditions,the minimum number of cavitation cavitation 0.29,sothe project does not occur cavitation cavitation damage.The calculation ofthe bodymodification scheme and the cavitation number can provide reference for the type engineering.

Stepped spillway；size optimization；Aeration and erosion reduction and Cavitation number

TV651.41

B

1673-9000（2017）02-0103-02

2016-02-04

李佳綸（1983-），男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事水利水電勘測設計規劃研究工作。