杜金威，王均星，張文傳，郭星銳

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

20世紀(jì)80年代，隨著碾壓混凝土筑壩技術(shù)的迅速發(fā)展[1]，臺階式溢洪道在國內(nèi)外的應(yīng)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(jīng)濟(jì)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(zhì)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(lián)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(jié)合陽升觀水庫臺階式溢洪道進(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(jù)重力相似原則，長度比尺定為1∶20，其余參數(shù)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(shè)計和消能防沖三種特征工況進(jìn)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(guān)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(shè)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(shù)以得到相應(yīng)水位下的泄流量。除對上述3種特征水位進(jìn)行泄流能力試驗外，又適當(dāng)補充了若干水位點，繪制水位～流量關(guān)系曲線，如圖2所示。

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

結(jié)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(shè)計值。另外，在校核、設(shè)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(shè)計要求。3種特征工況下溢流堰泄流能力試驗所測各項數(shù)據(jù)見表3。

表3 溢流堰泄流量設(shè)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(shè)計值)/設(shè)計值。

3.2 流 態(tài)

試驗結(jié)果表明，3種工況下的流態(tài)特征表現(xiàn)出相似的特性：水流平順地經(jīng)過溢流堰進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(dāng)流至一定臺階級數(shù)時，具體表現(xiàn)為校核工況流至第13級臺階附近，設(shè)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(zhì)點能夠克服表面張力和重力作用，從而離開水面，導(dǎo)致水面破碎，水體開始摻入空氣，呈現(xiàn)乳白色，一直持續(xù)到末級臺階。隨后經(jīng)過反弧段進(jìn)入消力池，池內(nèi)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(shè)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(biāo)，對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)，在校核工況下溢流堰堰頂附近出現(xiàn)了負(fù)壓，大小為3.139 2 kPa(約0.32 m水柱)，在水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[5]容許的范圍(不超過58.860 kPa)之內(nèi)，由此進(jìn)一步說明溢流堰設(shè)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種工況下臺階面的壓力分布規(guī)律極其相似，故選用設(shè)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(fù)壓通常出現(xiàn)在臺階立面陽角附近，最大正壓通常出現(xiàn)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(xiàn)了負(fù)壓，負(fù)壓大小在-8.044 2～-5.689 8 kPa(約-0.82～-0.58 m水柱)之間。根據(jù)初生空化的經(jīng)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(yuǎn)小于試驗所測負(fù)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(jù)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(jìn)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(jìn)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(jié)果表明，在臺階式溢洪道+底流聯(lián)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(dāng)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(lián)合消能率如表5所示。

表5 3種特征工況的消能率 %

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，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(jié) 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(jìn)口和堰型的設(shè)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(jīng)一定臺階級數(shù)后，水流開始摻氣，總體流態(tài)特征較好。而消力池內(nèi)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(xiàn)了負(fù)壓，考慮到負(fù)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(jìn)一步的定量研究和分析。

(4)臺階式溢洪道+消力池聯(lián)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(lián)合消能中的占比較高，臺階面消能充分，由此進(jìn)一步論證了臺階式溢洪道設(shè)計的合理性。

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參考文獻(xiàn)：

[1] 趙 建. 水利工程碾壓混凝土施工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 節(jié)水灌溉,2012,(6):82.

[2] 楊 慶. 階梯溢流壩水力特性和消能機理試驗研究[D]. 成都：四川大學(xué),2002.

[3] 嚴(yán) 維,栗 帥,趙德亮. 階梯消能工的研究與應(yīng)用[J]. 價值工程,2013,32(19):85-87.

[4] Rajaratnam N. Skimming flow in stepped spillway[J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1990,116(4):587-591.

[5] SL253-2000，溢洪道設(shè)計規(guī)范[S].

[6] 楊 慶. 空化初生機理及比尺效應(yīng)研究[D]. 成都：四川大學(xué),2005.

[7] Charles E Rice, Kem C Kadavy. Model study of a roller compacted concrete stepped spillway[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1996,122(6):292-297.

[8] Zhou hui, Wu Shiqing, Jiang Shuhai. Hydraulic performances of skimming flow over stepped spillway[J]. Journal of Hydrodynamics, Ser N, 1997,9(3):80-86.

[9] 才君眉,薛慧濤,馮金鳴. 碾壓混凝土壩采用臺階式溢洪道消能初探[J]. 水利水電技術(shù),1994,(4):19-21,25.

[10] 陳 群,戴光清,朱分清,等. 影響階梯溢流壩消能率的因素[J]. 水力發(fā)電學(xué)報,2003,(4):95-104.