韓守都,劉韓生,吳寶琴

(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000;2.水利部西北水利科學(xué)研究所,陜西 楊凌 712100)

布侖口水庫(kù)攔河壩為澆筑式瀝青混凝土心墻壩,最大壩高 35m,共有兩個(gè)泄水建筑物,左岸布置一岸邊溢洪道,右岸設(shè)有一導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞,都采用底流消能。設(shè)計(jì)泄洪流量 201.4m3/s,施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量153m3/s。導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞的消力池體型見(jiàn)圖1,其上游接有壓洞,下游接退水渠,將水流導(dǎo)入河床。

該工程整體水力學(xué)模型試驗(yàn)(模型比尺1∶40)的結(jié)果表明,導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞消力池中會(huì)形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍,不能滿足工程要求。設(shè)計(jì)工況的流態(tài)見(jiàn)圖2。

圖1 消力池尾坎位置體型(單位:高程m,其余cm)

圖2 尾坎未上移時(shí)設(shè)計(jì)工況形成的遠(yuǎn)驅(qū)水躍

遠(yuǎn)驅(qū)水躍是常見(jiàn)的水力學(xué)現(xiàn)象[1-8],常用的處理措施較多,主要有:①消力墩。設(shè)置消力池消力墩可以提高消能率,穩(wěn)定消力池流態(tài),一般用在弗勞德數(shù)較小、流速較低的情況,不適合本工程情況。②降低底板高程。這是一種有效的措施,缺點(diǎn)是增加工程量。③提高消力池前的擴(kuò)散程度。這實(shí)際上是減小第一共軛水深,加寬消力池寬度,降低單寬流量。這種解決問(wèn)題的措施仍以增加工程量為代價(jià)。④加高尾坎。這實(shí)際上是通過(guò)提高第二共軛水深來(lái)解決問(wèn)題,副作用是加劇了消力池的尾水跌落程度,對(duì)退水渠流態(tài)不利。以上措施皆有不同程度的副作用,有必要尋求新方法。試驗(yàn)表明,通過(guò)控制尾坎位置能夠消除遠(yuǎn)驅(qū)水躍[9],但這種措施目前研究的較少。為此,本文設(shè)計(jì)了1∶40水力學(xué)模型試驗(yàn),提出將尾坎往上游移動(dòng)5m,將尾坎始段位置與漸變段始段錯(cuò)開(kāi),旨在避免遠(yuǎn)驅(qū)水躍,解決消力池的消能問(wèn)題。

1 消力池尾坎位置試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

如圖1所示,控制尾坎位置實(shí)際是將尾坎的位置與消力池后的扭面漸變段始端錯(cuò)開(kāi),即保持漸變段體型及位置不變,將尾坎始段位置往上游移動(dòng),要求尾坎的高程及高度不變。試驗(yàn)采取了3種試驗(yàn)方案,分別將消力池尾坎始段位置往上游移動(dòng)15.0m,7.5m和5.0m。試驗(yàn)的目的是決定尾坎的始段位置往上游移動(dòng)的距離L,這是一種減少工程量的措施,L越大,工程量減少得越多。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

a.試驗(yàn)方案1。將導(dǎo)流洞消力池尾坎在高度不變的情況下向上游移15.0m,設(shè)計(jì)水位時(shí)躍首位于池首上游11.2m(沿1∶6.4斜坡),躍末位于尾坎處;總體看消能水體不足,水躍不完整,池內(nèi)水躍段水面波動(dòng)較大,設(shè)計(jì)工況的流態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3 尾坎上移15.0m時(shí)設(shè)計(jì)工況形成的水躍

b.試驗(yàn)方案2。在方案1的基礎(chǔ)上尾坎下移7.5m,即較原方案尾坎上移7.5m。設(shè)計(jì)水位時(shí),躍首位于池首上游9.5m,水躍較完整。設(shè)計(jì)工況的流態(tài)見(jiàn)圖4。

圖4 尾坎上移7.5m時(shí)設(shè)計(jì)工況形成的水躍

c.試驗(yàn)方案3(推薦方案)。將導(dǎo)流洞消力池原設(shè)計(jì)尾坎上移5.0m。該方案設(shè)計(jì)水位時(shí),躍首位于池首8.2m,躍末位于池首下19.6m,水躍完整,水流基本穩(wěn)定,水面波動(dòng)相對(duì)較小,作為推薦方案設(shè)計(jì)工況流態(tài)見(jiàn)圖5。各個(gè)工況水躍躍首位置見(jiàn)表1,所有工況均避免了遠(yuǎn)驅(qū)水躍,躍首均在池首上游的順坡上,呈現(xiàn)折坡消力池流態(tài)[10]。

圖5 尾坎上移5.0m時(shí)設(shè)計(jì)工況形成的水躍(單位:mm)

表1 推薦方案躍首位置、水躍尾部水面高程及漸變段始端的水面高程

上述試驗(yàn)說(shuō)明,控制尾坎位置可以解決遠(yuǎn)驅(qū)水躍問(wèn)題,3組試驗(yàn)尾坎位置不同,但都避免了遠(yuǎn)驅(qū)水躍,躍首也都在消力池上游的坡上,這樣能夠以較短的消力池達(dá)到消能的目的。另外,尾坎的位置對(duì)水躍有較大的影響,L過(guò)大水躍流態(tài)不良,而L過(guò)小不能起到控制遠(yuǎn)驅(qū)水躍的作用,對(duì)于本工程L取5.0m滿足要求,既能避免遠(yuǎn)驅(qū)水躍,又能形成良好的水躍形態(tài)。這種措施不僅解決了消能問(wèn)題,也無(wú)副作用,不僅沒(méi)有增加工程量,還稍減少了工程量,可以作為解決消力池問(wèn)題的首選措施。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

推薦方案水躍后水面線為降水曲線(圖5),設(shè)計(jì)工況水躍尾部水面高程高達(dá)3268.80m,而漸變段始端的水面高程只有3266.80m,可見(jiàn)由于尾坎往上游移動(dòng)5.0m,使得躍后水深增加2.0m,從而避免了遠(yuǎn)驅(qū)水躍。各種工況的水躍尾部水面高程及漸變段始端的水面高程見(jiàn)表1,可見(jiàn)水躍尾部水面高程均高于漸變段始端水面高程,躍后水深均提高,均避免了遠(yuǎn)驅(qū)水躍,使流態(tài)滿足工程要求。

消力池下游的擴(kuò)散漸變段固然是為了與退水渠銜接,但它的存在也降低了水面高程,導(dǎo)致產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍,將尾坎上移,實(shí)際上就是避免漸變段降低躍后水深,以此避免遠(yuǎn)驅(qū)水躍。

3 消能效果分析

表2列出了推薦方案各工況的躍首、躍尾流速及消能率,可見(jiàn)消能情況良好,與躍首流速比較,躍尾流速大幅降低,流速值均在 2.5 m/s以下,閘門局部開(kāi)啟時(shí)的躍尾流速更低,不足1.70m/s。至于消能率,全都超過(guò)50%,閘門局部開(kāi)啟的消能率很高,大于75%。閘門局部開(kāi)啟的消能情況遠(yuǎn)勝于閘門全開(kāi),原因是閘門局部開(kāi)啟的水躍首部弗勞德數(shù)高得多,正常水位下,工作閘門1/2開(kāi)度、1/4開(kāi)度的水躍首部弗勞德數(shù)高達(dá)7.3和11.0。

表2 推薦方案躍首位置流速、躍尾流速及消能率

4 結(jié) 語(yǔ)

布侖口水電站導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞的消力池中出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍,常規(guī)的處理方法均有不同程度的副作用,本文通過(guò)1∶40水力學(xué)模型試驗(yàn),提出將尾坎往上游移動(dòng)5.0m,將尾坎始段位置與漸變段始段錯(cuò)開(kāi),提高躍后水深,這種措施可以使消力池形成良好流態(tài),解決消能問(wèn)題,它不僅不增加工程量,還可稍減少工程量。

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