黃智敏,付 波,陳卓英,鐘勇明

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

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溢洪道差動(dòng)式挑坎水力特性分析和計(jì)算探討

黃智敏,付 波,陳卓英,鐘勇明

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

溢洪道差動(dòng)式挑流鼻坎可增大其挑射水舌的擴(kuò)散、碰撞、摻氣和消能率，從而減輕下游河床的沖刷。目前對(duì)差動(dòng)式挑坎水力特性研究成果仍較少，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)極為不便。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)和成果總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了差動(dòng)式挑坎下游河床沖刷特性的試驗(yàn)研究，對(duì)差動(dòng)式挑坎段的水面線、挑射水舌挑距及其下游河床沖刷特性和計(jì)算方法進(jìn)行探討，并進(jìn)一步補(bǔ)充了差動(dòng)式挑坎下游沖刷影響系數(shù)與其體型和泄流水力參數(shù)的關(guān)系。研究成果與水力模型試驗(yàn)結(jié)果較吻合，可供類似工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。

溢洪道；差動(dòng)式挑流鼻坎；水面線；挑距；沖深

1 概述

溢洪道差動(dòng)式挑坎是在連續(xù)的挑坎上設(shè)置齒、坎相間的挑坎，促使溢洪道下泄急流挑離鼻坎時(shí)上、下分散，增大挑射水流在空中的碰撞、紊動(dòng)、摻氣以及在下游河道水流的淹沒(méi)擴(kuò)散，以減輕對(duì)下游河床的沖刷[1](見(jiàn)圖1)。差動(dòng)式挑坎已在國(guó)內(nèi)眾多的溢洪道工程中得到了應(yīng)用[2-4]，但目前對(duì)其水力特性研究成果仍較少，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)極為不便。本文綜合現(xiàn)有的有關(guān)文獻(xiàn)和成果，對(duì)差動(dòng)式挑坎段的水面線、挑射水舌挑距及其下游河床沖刷坑深度等特性和計(jì)算方法進(jìn)行探討，供相關(guān)的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。

圖1 差動(dòng)式挑坎挑射水舌示意

2 差動(dòng)式挑坎段水面線特性和計(jì)算

通常，溢洪道沿程水面線計(jì)算可以分為溢流堰曲線段、壩面陡坡段和反弧段等3部分，其中反弧段又可以分為上反弧段和下反弧段兩部分。溢流堰曲線段、壩面陡坡段沿程水面線的計(jì)算方法已較成熟，具體可參見(jiàn)有關(guān)的文獻(xiàn)[1]；文獻(xiàn)[5]對(duì)連續(xù)式反弧段水面線計(jì)算方法進(jìn)行了分析和探討，可供工程設(shè)計(jì)參考。由于溢洪道差動(dòng)式挑坎一般多設(shè)置在反弧段的下反弧段中，因此，可根據(jù)已有的文獻(xiàn)和成果，在溢洪道泄流落差和單寬流量確定的條件下，計(jì)算出溢洪道反弧段底部斷面的水深后，再計(jì)算出下反弧段的差動(dòng)式挑坎出口斷面水深及流速值，作為差動(dòng)式挑坎出口下游挑射水舌水力參數(shù)計(jì)算的依據(jù)。

由圖2，在反弧段泄流單寬流量和反弧段底部斷面水深值已知的條件下，文獻(xiàn)[5]提出的溢洪道下反弧段沿程水深的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

圖2 下反弧段水深計(jì)算示意

圖3 溢洪道挑射水舌及下游河床沖刷示意

由式(1)～(3)，由已知的差動(dòng)式挑坎體型參數(shù)，可采用分段方法分別計(jì)算出差動(dòng)式挑坎出口斷面的高、低坎斷面水深和流速值。若溢洪道差動(dòng)式挑坎從反弧段的上反弧段中開(kāi)始設(shè)置，則可以根據(jù)文獻(xiàn)[5]等計(jì)算出挑坎沿程水深值。

3 差動(dòng)式挑坎水舌挑距計(jì)算探討

(4)式中L為自挑坎末端算起至下游河床面的挑流水舌外緣挑距,m；θ為挑流水舌水面出射角；h1為挑流鼻坎末端法向水深，m；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差，m，如計(jì)算沖刷坑最深點(diǎn)距鼻坎的距離，該值可采用坎頂至沖刷坑最深點(diǎn)高程差；v1為鼻坎頂水面流速，m/s，可按鼻坎頂處平均流速v的1.1倍計(jì)算。

[7] 等對(duì)式(4)的差動(dòng)式挑坎水舌挑距的計(jì)算參數(shù)作如下假設(shè)：

1) 挑坎出口斷面的水深h1取高、低坎出口斷面的平均水深，其坎頂水面流速v1取高、低坎出口斷面平均流速的1.1倍。

2) 挑坎出口斷面高程取高、低坎高程的平均值。

3) 挑坎挑角θ取高、低坎挑角的平均值；根據(jù)差動(dòng)式高、低坎出口斷面的寬度，其平均挑角θ可采用式(5)計(jì)算：

(5)

式中θ1，b1為高坎挑角和出口斷面總寬度，高坎兩側(cè)斜坡面的投影寬度按高、低坎平分；θ2，b2為低坎挑角和出口斷面總寬度；挑坎平均挑角θ值范圍為：θ2≤θ≤θ1。

文獻(xiàn)[7] 通過(guò)眾多水力模型試驗(yàn)資料分析，得出了上述計(jì)算的溢洪道差動(dòng)式挑坎下游河床沖坑底部挑距與水力模型試驗(yàn)沖刷坑底部上、下邊緣挑距平均值相近的結(jié)論，并建議將計(jì)算的下游河床沖坑底部的挑距L值乘以折減系數(shù)0.8～0.9(單寬流量q較大者，可取較小值)，作為差動(dòng)式挑坎下游河床沖坑底部上邊緣的挑距。

4 差動(dòng)式挑坎下游河床沖深計(jì)算

4.1 已有的研究成果

溢洪道連續(xù)式挑坎下游河床沖刷深度可采用式(6)進(jìn)行計(jì)算：

T1=Kq0.5Z0.25

(6)

式中T1為沖刷坑深度，由下游水位與沖坑底高程之差計(jì)算；q為挑坎出口單寬流量；Z為泄流上、下游水位差；K為下游河床基巖沖刷系數(shù)。

文獻(xiàn)[7～8]對(duì)差動(dòng)式挑坎的下游河床沖刷深度計(jì)算方法進(jìn)行了探討，提出的計(jì)算公式為：

T2=βKq0.5Z0.25

(7)

(8)

式中T2為差動(dòng)式挑坎下游河床沖刷深度；β為差動(dòng)式挑坎沖刷影響系數(shù)，β≤1；q為挑坎出口單寬流量；H為挑坎進(jìn)口斷面總水頭；a為高、低坎的高程差；g為重力加速度；其他參數(shù)意義見(jiàn)式(6)。

表1 白盆珠溢流壩運(yùn)行水力參數(shù)和下游河床沖刷特性

2) 參考文獻(xiàn)[10]的溢流壩，其堰頂高程292.0 m，下游反弧段曲率半徑R=10 m，反弧底高程270.9 m，陡坡段和反弧段斷面寬度為34 m，反弧段挑坎體型為：①連續(xù)性挑坎挑角25°，出口斷面高程271.84m；②差動(dòng)式高坎挑角為30°、出口斷面高程272.24 m，低坎挑角為0°、出口斷面高程為270.9 m。溢流壩下游河床基巖面高程約258.0 m，河床基巖抗沖流速v=6～7 m/s。

表2 溢流壩運(yùn)行水力參數(shù)和下游河床沖刷特性

(9)

5 算例

5.1 工程概況

七礤水庫(kù)溢洪道堰頂高程78.1 m，堰后接1∶5的陡槽段，陡槽段凈寬為22 m；陡槽段下游出口采用挑流消能。挑坎下游河床面高程約48.0 m，下游河床的基巖為強(qiáng)風(fēng)化細(xì)沙巖、粉沙巖，巖石破碎嚴(yán)重，裂隙發(fā)育。

經(jīng)水力模型試驗(yàn)得到的溢洪道下游差動(dòng)式挑坎布置方案為[11-12]：挑坎設(shè)置3個(gè)高坎、4個(gè)低坎，反弧段底部斷面高程為59.56 m(樁號(hào)0+093.34)。差動(dòng)式高坎的上游端起始斷面樁號(hào)0+093.34、末端斷面樁號(hào)0+102.68，其反弧曲率半徑R1=15 m，挑射角θ1=25°，出口斷面高程60.97 m，高坎兩側(cè)坡坡度為1∶0.5；低坎的起始斷面樁號(hào)0+099.76、末端斷面樁號(hào)0+103.74，其反弧曲率半徑R2=22.38 m，挑射角θ2=10°，出口斷面高程為59.9 m(見(jiàn)圖5)。

對(duì)溢洪道100年一遇洪水流量(P=1%、Q=700.2 m3/s、庫(kù)水位Z=84.98 m、下游河道水位Zd=53.8 m)運(yùn)行情況的差動(dòng)式挑坎水力參數(shù)和下游河床沖刷狀況進(jìn)行計(jì)算，并與水力模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 溢洪道挑坎布置示意(單位：m)

5.2 挑坎出口斷面水深計(jì)算

以水力模型測(cè)試的反弧段底部斷面平均水深h=1.62 m、平均流速v=19.65 m/s[12]，由式(1)～(3)計(jì)算出下游差動(dòng)式高、低挑坎沿程水深值。

1) 差動(dòng)式高坎挑角θ1=25°，將高坎沿程水深分為3段計(jì)算(每段△θ=8.33°)，計(jì)算中令式(1)等號(hào)左側(cè)為A、右側(cè)為B，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表3；計(jì)算得高坎下游出口斷面水深為1.69 m。

表3 高坎沿程水深計(jì)算過(guò)程和結(jié)果

2) 差動(dòng)式低坎的挑角θ2=10°，將低坎沿程水深分為3段計(jì)算(其中樁號(hào)0+096.34至0+99.76為水平段，反弧段分為2段、每段Δθ=5°)，參照表1的計(jì)算過(guò)程，由式(1)～(3)計(jì)算出低坎下游出口斷面水深為1.65 m。

因此，可計(jì)算出高、低挑坎出口斷面平均水深為1.67 m、平均流速為19.06 m/s。

5.3 下游河床沖深計(jì)算

5.4 下游沖坑底部挑距計(jì)算

由差動(dòng)式高、低坎出口斷面高程和挑角等，計(jì)算差動(dòng)式挑坎出口斷面平均高程為60.44 m和平均挑角為19.2°，見(jiàn)式(5)。因此，根據(jù)差動(dòng)式挑坎出口斷面水力參數(shù)(挑坎末端平均水深h1=1.67 m、鼻坎頂水面流速v1=1.1×19.06=20.97 m/s)和沖坑底部高程(31.27 m)等，由式(4)計(jì)算出下游河床沖坑底部挑距L=65.47 m。

參照文獻(xiàn)[7]，將計(jì)算的挑距L值乘以折減系數(shù)0.86，得出差動(dòng)式挑坎下游河床沖坑底上邊緣的挑距為56.3 m。本文計(jì)算的下游河床沖坑底高程、沖坑底上邊緣挑距等與水力模型試驗(yàn)成果較吻合(見(jiàn)表4)。

表4 下游河床沖坑底高程及其上邊緣挑距的試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)溢洪道差動(dòng)式挑坎水力特性、下游河床沖坑深度和挑射水舌挑距等計(jì)算方法進(jìn)行研究，取得的主要成果有：

2) 在溢洪道反弧段泄流單寬流量和反弧段底部斷面水深(或反弧段進(jìn)口斷面水深)已知的條件下，可采用反弧段沿程水深計(jì)算公式計(jì)算出差動(dòng)式挑坎的高、低坎沿程水面線，再采用差動(dòng)式挑坎的平均挑角、出口斷面平均高程、挑坎出口斷面平均水深和流速、沖坑底高程等，計(jì)算出挑坎下游河床沖坑底部的挑距。

參考文獻(xiàn)：

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(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Calculation Discussion and Analysis on Hydraulic Characteristics of Spillway Differential Flip Bucket

HUANG Zhimin，F(xiàn)U Bo，CHEN Zhuoying，ZHONG Yongming

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics，Guangzhou 510635,China)

Differential flip bucket of spillway can increase collision，turbulence，aeration and energy dissipation rate of nappe，thus greatly reduce scour depth of the downstream river bed. At present, the study results of the hydraulic characteristics of differential flip bucket are still less, which is very inconvenient for the engineering design. Based on the summary and analysis of existing literatures and results, and the experimental study of the downstream river bed scour depth of differential flip bucket has been carried out，the hydraulic characteristics and calculation method of water surface profile, nappe distance and scour depth of the river bed of the differential flip bucket are discussed, and the relationship between the influence coefficient of the downstream scour and its body size and the discharge hydraulic parameters is further added. The results are in good agreement with the results of hydraulic model test, which can provide reference for similar engineering design and operation.

spillway； differential flip bucket； water surface profile； flip nappe distance； scour depth

2016-04-29;

2016-08-25

黃智敏(1957)，男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水工水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。

TV651.1

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1008-0112(2016)09-0001-05