宣城市水陽江海棠灣水利樞紐消能防沖試驗(yàn)研究

張玉程,董宸中

(1.山東外事職業(yè)大學(xué),山東 威海 264500;2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))第六設(shè)計(jì)院有限公司,合肥 230061)

1 項(xiàng)目概況

宣城市水陽江海棠灣水利樞紐工程位于敬亭山腳下,海棠灣碼頭上游約0.9km處。海棠灣水利樞紐工程鋼壩閘50a一遇設(shè)計(jì)過閘流量為4746m3/s,樞紐工程等別為Ⅱ等,規(guī)模為大(2)型水閘樞紐工程。

樞紐主要由蓄水壩、調(diào)節(jié)閘、升船機(jī)、魚道組成,其中升船機(jī)位于水陽江左岸,蓄水壩位于右岸,調(diào)節(jié)閘位于升船機(jī)分流島與蓄水壩之間,魚道位于升船機(jī)分流島中間。

鋼壩閘共6孔,閘孔總凈寬204m,自左岸至右岸,1#～4#孔(淺孔)單孔凈寬43m,為國(guó)內(nèi)目前單跨最大的鋼壩閘。鋼壩閘閘門為底軸驅(qū)動(dòng)翻板鋼閘門,通過直徑1.8m底轉(zhuǎn)軸和鉸支座安裝在底板上,采用集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制。固定壩頂高程4.0m,閘門高度6.0m;5#及6#孔(深孔)單孔凈寬16m,固定壩頂高程1.0m,閘門高度為9.0m。鋼壩閘典型斷面圖見圖1、圖2。

圖1 1#～4#淺孔閘典型斷面

圖2 5#、6#深孔閘典型斷面圖

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)任務(wù)及要求

通過模型消能防沖試驗(yàn),觀測(cè)鋼壩閘、調(diào)節(jié)閘的上、下游流態(tài)、流速分布、水面線等水力特征參數(shù);觀測(cè)在蓄水期閘門不同開度條件下,泄流過程中的泄流能力、水流流態(tài);對(duì)設(shè)計(jì)擬采用的消能措施提供試驗(yàn)依據(jù),對(duì)閘門的運(yùn)行管理提出合理化建議[1-3]。

2.2 模型設(shè)計(jì)

2.2.1 模型范圍

本項(xiàng)目整體水工模型采用正態(tài)模型,模擬范圍上游為鋼壩閘以上約2500m,下游為鋼壩閘以下約2400m。垂直水流方向模擬至兩岸大堤。

2.2.2 比尺選定

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)及《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)準(zhǔn)則規(guī)定,模型必須保持幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。本試驗(yàn)主要作用力為重力,故模型采用正態(tài)模型,遵循重力相似準(zhǔn)則,即模型與原型佛勞德數(shù)相等;同時(shí)滿足阻力相似要求。模型幾何比尺采用1∶80。

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕瘸哧P(guān)系為長(zhǎng)度比尺、佛勞德數(shù)比尺、流速比尺、流量比尺、糙率比尺,根據(jù)《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》,經(jīng)計(jì)算,整體模型比尺換算關(guān)系見表1。

表1 比尺換算表

2.2.3 整體模型制作

根據(jù)前述換算比尺,模型總長(zhǎng)約32.0m,總寬約14.0m。

模型高度設(shè)計(jì):

H=H0+H1+H2

(1)

式中:H為模型高度;H0為預(yù)留深度,46.25cm;H1為模型有效高度(模型最高高程-最低地形高程)/模型垂直比尺);H2為安全超高,取10cm。模型最大高程為16.5m,最低地形高程取-2.5m,模型比尺1∶80,則H1=(16.5+2.5)/80=23.75cm。

故,模型高度H=46.25+23.75+10=80.0cm。

因此模型邊墻高度取80cm。

模型制作主要內(nèi)容包括:模型地形制作、建筑物模型制作與安裝、加糙、邊墻、量水堰及前池砌筑、尾門及制作與安裝、人行臺(tái)階砌筑及便橋等制作與安裝、模型試水與修正等。

2.3 模型數(shù)據(jù)測(cè)量

2.3.1 測(cè)量手段

本試驗(yàn)流量測(cè)量采用矩形堰,流量計(jì)算采用規(guī)范推薦公式:

Q=(1.782+0.24H/P)BH01.5

(2)

式中:Q為流量,m3/s;H為堰上水頭,m;H0為修正后水頭(H0=H+0.0011m),m;P為堰高,m;B為堰寬,m。

經(jīng)驗(yàn)算,各方案流量下量水堰堰上水頭約為0.03～0.17m,滿足推薦公式的適用范圍(H=0.03～0.75m)。

水位測(cè)量采用SCM60型水位測(cè)針,其測(cè)量精度為0.10mm;流速測(cè)量采用小威龍Vectrino。同時(shí),采用示蹤粒子及攝像機(jī)對(duì)水流流向及水流流態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。

2.3.2 測(cè)流斷面及水位控制點(diǎn)的選擇

本次模型試驗(yàn)以鋼壩閘閘軸線為0+000,上游樁號(hào)用0-XXX表示,下游樁號(hào)用0+XXX表示。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn),上游水位測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在閘上5～10倍閘上最大水頭處,閘下水位測(cè)點(diǎn)一般布置在下游翼墻以下4～5倍消力池長(zhǎng)處。本次模型試驗(yàn)選定0-200斷面為上游水位控制測(cè)點(diǎn),0+200斷面為下游水位控制測(cè)點(diǎn)。

模型分別在0-200、0-400、0-600、0-1200、0-1800、0+200、0+400、0+600、0+1200、0+1800、0+2200(測(cè)流斷面與河道中心線垂直)斷面處布置流速測(cè)量斷面,鋼壩閘下游右側(cè)灘地布置T0-100、T0+00、T0+100和T0+400斷面測(cè)量沿程流速分布。

3 試驗(yàn)方案及成果

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,為減小預(yù)降水位對(duì)下游河道通航及沖刷影響,在接到預(yù)報(bào)需提前臥倒閘門預(yù)降水位,此時(shí)下泄流量按不超過壩址1a一遇設(shè)計(jì)洪水525m3/s進(jìn)行控制。

因5#、6#為深孔閘,僅在上下游水位基本相等時(shí)才考慮開啟,故消能防沖試驗(yàn)僅對(duì)1#～4#淺孔閘進(jìn)行試驗(yàn)比較。1#～4#淺孔閘固定壩頂高程4.0m。方案一為閘門開啟角度30°,此時(shí)對(duì)應(yīng)的閘門頂高程為9.076m,方案二為閘門開啟角度45°,此時(shí)對(duì)應(yīng)的閘門頂高程為7.979m。當(dāng)上下游水位差最大時(shí),消能防沖工況最為惡劣。因此試驗(yàn)控制上游水位為10.00m,下游水位為5.30m。消能防沖試驗(yàn)各方案關(guān)鍵控制參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)方案關(guān)鍵控制參數(shù)一覽表

3.2 試驗(yàn)成果

1)方案一試驗(yàn)成果:根據(jù)前述試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),此方案下閘門開啟角度30°,此時(shí)閘門頂高程為9.076m,上游水位為10.00m,下游水位為5.30m,實(shí)測(cè)下泄流量為55.52m3/s。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì),依次開啟1#孔、2#孔、3#孔、4#孔,觀測(cè)記錄閘下流態(tài),測(cè)量水舌落點(diǎn)水深、消力池后水深、消力池尾坎、防沖槽及0+200斷面處最大流速等,方案一試驗(yàn)成果見表3。

表3 方案一試驗(yàn)成果表

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出:方案一設(shè)計(jì)條件下,單寬流量為1.29m3/s·m。水舌落點(diǎn)處水深為3.8m,水舌下游為淹沒流,水面無明顯水躍漩滾。至消力池后,1#孔和2#孔水深為6.3m,3#孔和4#孔水深為7.8m,因消力池水深較深,受左右側(cè)回流區(qū)的影響,水流的橫向擴(kuò)散受到限制,各孔開啟時(shí),消力池內(nèi)除回流外,無明顯橫向水流。開啟3#孔和4#孔時(shí)消力池尾坎處流速較開啟1#孔和2#孔時(shí)消力池尾坎處流速大,最大值為0.95m/s。各孔開啟時(shí)防沖槽處的流速基本一致,最大流速為0.64m/s,防沖槽處發(fā)生沖刷的可能性較小。

2)方案二試驗(yàn)成果:根據(jù)前述試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),此方案下閘門開啟角度45°,此時(shí)閘門頂高程為7.979m,上游水位為10.00m,下游水位為5.30m,實(shí)測(cè)下泄流量為278.75m3/s。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì),依次開啟1#孔、2#孔、3#孔、4#孔,觀測(cè)記錄閘下流態(tài),測(cè)量水舌落點(diǎn)水深、消力池后水深、消力池尾坎、防沖槽及0+200斷面處最大流速等,方案二試驗(yàn)成果見表4。

表4 方案二試驗(yàn)成果表

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出:方案二設(shè)計(jì)條件下,單寬流量為6.48m3/s·m。水舌落點(diǎn)處水深為3.8m,水躍漩滾明顯,消力池后仍有波狀水躍。至消力池后,1#孔和2#孔水深為6.3m,3#孔和4#孔水深為7.8m。受左右側(cè)回流區(qū)的影響,水流的橫向擴(kuò)散受到限制,各孔開啟時(shí),消力池內(nèi)除回流外,無明顯橫向水流。消力池尾坎處最大流速為開啟2#孔時(shí),達(dá)2.59m/s;防沖槽處最大流速為開啟4#孔時(shí),達(dá)2.01m/s。

4 結(jié)論與建議

1)綜合分析兩方案的試驗(yàn)成果,水舌下游皆為淹沒流,消力池采取構(gòu)造設(shè)計(jì)即可。方案一各孔開啟時(shí)防沖槽處的流速基本一致,最大流速為0.64m/s,防沖槽處發(fā)生沖刷的可能性較小。方案二各孔開啟時(shí),4#孔防沖槽底部流速最大,為2.01m/s; 3#孔防沖槽底部流速最小,為1.19m/s。防沖槽及下游河道的防沖刷設(shè)計(jì)建議以方案二4#孔處的試驗(yàn)成果進(jìn)行復(fù)核。

2)開啟4#孔時(shí),水流頂沖右岸灘地,易造成沖刷,非特殊情況不建議首先開啟。開啟1#、2#和3#孔時(shí)下游流態(tài)相似,考慮到3#孔消力池底板更淺,且位于主槽,距左右岸均較遠(yuǎn),建議閘門運(yùn)行管理過程中第一輪先開啟3#孔,開啟角度≤30°,待下游流態(tài)平穩(wěn)后再依次開啟2#、1#和4#孔,開啟角度≤30°。待下游流態(tài)平穩(wěn)后再進(jìn)行第二輪開啟,逐漸增大開啟角度。

3)綜合海棠灣水利樞紐消能防沖試驗(yàn)研究成果,不僅解決了本工程的消能防沖問題,也可為同類的鋼壩閘水利工程的消能防沖設(shè)計(jì)提供借鑒。此外,建議后期工程投入運(yùn)行后,實(shí)地開展水位、流速、流態(tài)等相關(guān)水力測(cè)量工作,進(jìn)一步分析實(shí)際消能效果等;同時(shí),制定科學(xué)合理的閘門運(yùn)行維護(hù)制度,確保工程安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-9]。