陽升觀水庫臺階式溢洪道水工模型試驗研究

杜金威，王均星，張文傳，郭星銳

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

20世紀80年代，隨著碾壓混凝土筑壩技術的迅速發(fā)展[1]，臺階式溢洪道在國內外的應用也越來越廣泛。由于臺階式溢洪道具有良好的消能特性，其帶來的經濟效益往往是巨大的[2]。陽升觀水庫樞紐5號溢流壩段下游由于地形地質條件限制，若采用常規(guī)的底流式消能方案將大大增加開挖量，增加工程投資。而采用臺階式溢洪道+消力池聯合消能方案，不僅能有效縮減消力池的尺寸，減少開挖，還能將大部分能量“化整為零”[3]地消殺掉，提高消能率。本文結合陽升觀水庫臺階式溢洪道進行了水工模型試驗，分析和研究了其在3種特征工況下的泄流能力、流態(tài)、壓力和消能率，為實際工程的設計和優(yōu)化提供了參考。

1 工程概況

陽升觀水庫位于湖南省攸縣縣城東北蓮塘坳鎮(zhèn)，洣水三級支流(洣水～攸水～珠麗江～南水)上游，距縣城直線距離約 27 km。水庫正常水位420 m，死水位365 m，總庫容1 526.88 萬m3。溢流壩布置在河床中部的5號壩段，壩段長26 m。堰面采用兩圓弧WES型曲線，堰頂高程420.00 m，溢流堰表孔設有2個邊墩和1個中墩，將溢流堰表孔分成2孔，每孔凈寬11.5 m，溢流堰總凈寬23 m。初步設計階段臺階式溢洪道泄槽采用等寬形式，共77級臺階，每級臺階步高1 m，步長0.75 m，消能措施為臺階式溢洪道加底流消能相結合的形式。溢流壩平面布置圖和剖面圖見圖1。

圖1 溢流壩平面布置圖和剖面圖Fig.1 Layout and profile of the overflow dam

2 模型制作

物理模型采用正態(tài)模型，根據重力相似原則，長度比尺定為1∶20，其余參數比尺見表1。采用長×寬×高=3 m×3 m×2 m的水箱模擬上游水庫。水工建筑物部分包括溢流堰、臺階式溢洪道以及消力池均采用有機玻璃制作，有機玻璃糙率約為0.008，換算為原型則為0.013 2，與混凝土糙率(取0.014)相近，下游地形采用水泥砂漿抹面。

表1 模型比尺Tab.1 Model scales

3 水工模型試驗成果與分析

本文分別對校核、設計和消能防沖三種特征工況進行了試驗，如表2所示。

表2 試驗工況Tab.2 Test conditions

3.1 泄流能力

溢流壩的泄流能力關系到整個水工建筑物的安全和穩(wěn)定運行，因此其實際的過流能力必須滿足設計要求。試驗過程中，采用水位測針(精度0.1 mm)控制上游水位，待水位穩(wěn)定后讀取流量計讀數以得到相應水位下的泄流量。除對上述3種特征水位進行泄流能力試驗外，又適當補充了若干水位點，繪制水位～流量關系曲線，如圖2所示。

圖2 陽升觀水庫壩址處水位～流量關系曲線Fig.2 Stage-discharge curve at the dam site of Yangshengguan Reservoir

結果表明，其流量隨水位的變化規(guī)律明顯，在相同水位下的試驗值要略大于理論設計值。另外，在校核、設計和消能防沖3種工況下試驗實測泄流量分別為282.6、171.63和150.47 m3/s，而理論值分別為276、165和145 m3/s，超泄比率介于2%～5%之間，這說明溢流堰實際過流能力滿足設計要求。3種特征工況下溢流堰泄流能力試驗所測各項數據見表3。

表3 溢流堰泄流量設計值與試驗值Tab.3 Design value and test value of overflow weir discharge

注：超泄比率=(試驗值-設計值)/設計值。

3.2 流 態(tài)

試驗結果表明，3種工況下的流態(tài)特征表現出相似的特性：水流平順地經過溢流堰進入臺階溢洪道，臺階面的水流為穩(wěn)定的滑移流[4]，每個臺階之間的水流由于受到臺階邊界約束和主流拖曳作用，在臺階之間作橫向旋滾運動。橫向上，水流紊動發(fā)展不盡相同，這是由于中軸線附近和邊墻附近的水流除了受到臺階面的擾動，還分別受到了中墩和邊墻的擾動，導致中軸線附近和邊墻附近的水流紊動發(fā)展比臺階面其他位置較快。在縱向上，剛進入臺階面的水流由于受到的擾動較小，紊流邊界層尚未發(fā)展到水面，因此流態(tài)較為平順。當流至一定臺階級數時，具體表現為校核工況流至第13級臺階附近，設計工況流至第9級臺階附近，消能防沖工況流至第8級臺階附近，紊流邊界層高度發(fā)展到自由水面，紊流暴露在空氣中，強烈紊動的水流使部分水質點能夠克服表面張力和重力作用，從而離開水面，導致水面破碎，水體開始摻入空氣，呈現乳白色，一直持續(xù)到末級臺階。隨后經過反弧段進入消力池，池內水流均發(fā)生水躍，紊動強烈，水體摻混、翻滾，消能充分。3種工況下溢洪道的流態(tài)圖如圖3所示。

圖3 溢洪道流態(tài)圖：校核工況、設計工況和消能防沖工況Fig.3 Spillway flow pattern diagram: checking condition, design condition and energy dissipation and erosion control condition

3.3 壓 力

壓力作為局部能量指標，對結構安全和穩(wěn)定運行有著重要的參考意義。而臺階式溢洪道由于其表面呈棱角結構，在大流量高流速條件下往往伴隨著空蝕空化問題。

試驗發(fā)現，在校核工況下溢流堰堰頂附近出現了負壓，大小為3.139 2 kPa(約0.32 m水柱)，在水利行業(yè)標準規(guī)范[5]容許的范圍(不超過58.860 kPa)之內，由此進一步說明溢流堰設計的合理性。

對于臺階面的壓力測量，由于溢洪道的流動特性在橫向上具有對稱性，因此只在溢洪道中軸線上第16、36、56和75級臺階上布置測點，每級臺階又分別在平面和立面上布置3個測點。臺階面壓力測點布置位置如表4所示。

表4 臺階面壓力測點的布置Tab.4 Pressure-measuring-point arrangement on stepped surface

注：a為臺階的步高；b為臺階的步長。

分析試驗結果發(fā)現，3種工況下臺階面的壓力分布規(guī)律極其相似，故選用設計工況下的臺階面壓力加以分析。在臺階平面上壓力從陰角至陽角逐漸增大(如圖4所示)，在臺階立面上壓力從陽角至陰角也逐漸增大(如圖5所示)，不同臺階的相同位置處壓力差別不大。負壓通常出現在臺階立面陽角附近，最大正壓通常出現在平面上離陰角0.7倍臺階步長附近。

值得注意的是，幾乎每級臺階的立面陽角附近均出現了負壓，負壓大小在-8.044 2～-5.689 8 kPa(約-0.82～-0.58 m水柱)之間。根據初生空化的經典理論，液體發(fā)生空化的臨界壓強為液體的飽和蒸汽壓強[6]，而20 ℃水的飽和蒸汽壓強為-98.990 kPa，遠小于試驗所測負壓，且考慮到臺階面水體摻氣充分，初步不考慮空化空蝕的影響。

圖4 臺階平面壓力Fig.4 Pressure on step horizontal plane

圖5 臺階立面壓力Fig.5 Pressure on step vertical plane

3.4 消能率

根據能量方程，消能率的計算采用如下公式[7,8]：

(1)

式中：E1、E2分別為以水頭表示的上游進口斷面和下游出口斷面的總能量，以消力池底板為零點高程。

本文采用的能量計算斷面位置分別位于上游溢流堰進口處(A-A)，臺階溢洪道末端(B-B)以及消力池末端(C-C)，如圖1所示。結果表明，在臺階式溢洪道+底流聯合消能方式下，3種工況的消能率都很高，分別為91.14%、92.88%、93.23%，而臺階部分的消能率分別為80.06%、81.49%、81.98%，由此可見相當大一部分能量被消殺在臺階上。各工況的臺階面和臺階+消力池聯合消能率如表5所示。

表5 3種特征工況的消能率 %

進一步觀察發(fā)現，臺階式溢洪道的消能率隨著流量的增大緩慢減小，臺階面消殺了大部分的能量，且臺階面的消能率也具有隨著流量的增大而減小的變化規(guī)律，這與前人的研究成果[9,10]相一致。

4 結 語

(1)溢流堰的泄流量試驗值均大于理論計算值，由此說明陽升觀水庫樞紐泄水建筑物的進口和堰型的設計滿足泄流要求。

(2)3種特征工況下臺階溢洪道的流態(tài)相似，均為滑移水流，流經一定臺階級數后，水流開始摻氣，總體流態(tài)特征較好。而消力池內流態(tài)較為紊亂，水體翻滾、躥升，相互摻混，水面波動劇烈，并一直延伸至下游。

(3)臺階面壓力分布規(guī)律明顯，在立面陽角附近出現了負壓，考慮到負壓量級較小，且臺階面水流摻氣充分，本文初步判斷臺階面發(fā)生空蝕空化的可能性很小。今后可對此問題做進一步的定量研究和分析。

(4)臺階式溢洪道+消力池聯合消能率很高，3種特征工況下均超過了90%，其中臺階溢洪道的消能率在聯合消能中的占比較高，臺階面消能充分，由此進一步論證了臺階式溢洪道設計的合理性。

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參考文獻：

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