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        吉林省時(shí)家店水庫(kù)溢洪道臺(tái)階式消能的應(yīng)用

        2018-10-15 02:43:18井德泉
        關(guān)鍵詞:臺(tái)階式消能率溢洪道

        井德泉

        (吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,吉林 長(zhǎng)春 130021)

        柳河縣時(shí)家店水庫(kù)位于吉林省南部地區(qū),是一座以灌溉、防洪為主,結(jié)合養(yǎng)魚等綜合性利用的中型水庫(kù),最大庫(kù)容為1734×104m3,工程等別為Ⅲ等,主要建筑物等級(jí)為3級(jí)。主要建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì),300年一遇洪水校核;消能防沖30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

        溢洪道為該工程主要建筑物,位于大壩左岸,為開敞式溢洪道,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),溢洪道軸線與壩軸線垂直,堰寬20m,上下游最大高差9.5m。

        進(jìn)口溢流堰段:進(jìn)口段(樁號(hào)溢0-008.0~溢0+000m)底寬20m,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底板厚度為0.5m,底板頂高程為393.00m;溢流堰段(樁號(hào)溢0+000~溢0+005.0m),溢流堰堰型為WES堰,上游面為垂直面,堰頂高程為394.35m,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);整流段(樁號(hào)溢0+005.0~溢0+014.625m)底板頂高程392.00m,鋼筋混凝土底板厚度為0.5m。

        臺(tái)階式消能段:消能段(樁號(hào)溢0+014.625m~溢0+036.225)為防止下泄水流淘刷壩腳并與下游尾水渠水流平順連接,依據(jù)地形和高差進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置,在整流段末端設(shè)臺(tái)階式消能段,臺(tái)階尺寸為長(zhǎng)1.0m×高0.5m,共17級(jí)臺(tái)階,后為消力池池深0.5m,底板高程為385.20m,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

        尾水渠段:干砌石尾渠段(樁號(hào)溢0+036.225~溢0+484.225m),其中樁號(hào)溢0+036.225~溢0+71.225m為尾渠收縮段,渠道底寬由20m漸變至5m;樁號(hào)溢0+071.225~溢0+216.225m為尾渠彎段,轉(zhuǎn)彎半徑70m,角度119°;樁號(hào)溢0+0216.225~溢0+484.225m為尾渠直線段。

        1 水工模型試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)任務(wù)及要求

        進(jìn)行P=3.33%、設(shè)計(jì)洪水(P=2%)和校核洪水(P=0.33%)情況下溢洪道的過(guò)流能力,測(cè)定臺(tái)階式消能在不同泄量情況下的消能率,測(cè)定臺(tái)階式消能臺(tái)階處的壓強(qiáng)分布,觀測(cè)分析臺(tái)階處是否會(huì)發(fā)生氣蝕。

        1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

        1.2.1 原試驗(yàn)工況

        (1)試驗(yàn)工況一(校核流量148.56m3/s)

        試驗(yàn)測(cè)得上游水位396.73m,下游水位392.51m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位396.82m,下游水位392.50m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位低0.09m,因此滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.485。消能率見表1。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見表2。

        (2)試驗(yàn)工況二(設(shè)計(jì)流量62.72m3/s)

        試驗(yàn)測(cè)得上游水位395.74m,下游水位388.89m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位395.74m,下游水位388.73m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位相同,實(shí)測(cè)泄量比理論計(jì)算泄量多0.98m3/s,因此滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.336。消能率見表1。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見表2。

        (3)試驗(yàn)工況三(P=3.33%流量39.42m3/s)

        試驗(yàn)測(cè)得上游水位395.43m,下游水位387.96m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位395.37m,下游水位387.80m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位高0.06m,占總水頭的0.01%,因此不影響泄流,滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.256。消能率見表1。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見表2。

        表1 試驗(yàn)測(cè)得泄流量及計(jì)算消能率

        表2 臺(tái)階消能段階梯處壓強(qiáng)分布

        試驗(yàn)施放了3個(gè)具有代表性的特征流量,并繪制了泄流量與上游水位關(guān)系曲線和理論計(jì)算值的對(duì)比曲線如圖1所示,從圖1中可以看出,對(duì)比泄流能力,各個(gè)工況均可達(dá)到泄流要求。在壓強(qiáng)方面,設(shè)置的18個(gè)測(cè)壓孔中1號(hào)和2號(hào)測(cè)壓孔出現(xiàn)負(fù)壓的幾率大且最大負(fù)壓為-9.3kPa,1號(hào)和2號(hào)測(cè)壓孔布置在第一、二級(jí)臺(tái)階處。

        1.2.2 修改試驗(yàn)工況

        由于在第一、二級(jí)臺(tái)階處出現(xiàn)較大負(fù)壓,為了改善水流條件防止氣蝕產(chǎn)生破壞混凝土結(jié)構(gòu),修改了第一、二級(jí)臺(tái)階,臺(tái)階改為橢圓弧段,弧線方程為x2/30+y2/10=1。修改后再進(jìn)行上面的試驗(yàn),得出以下成果:

        (1)修改試驗(yàn)工況一(校核流量148.56m3/s)

        試驗(yàn)測(cè)得上游水位396.92m,下游水位392.52m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位396.82m,下游水位392.50m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位高0.1m,占總水頭的0.03%,滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.55。消能率見表3。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見表4。

        (2)修改試驗(yàn)工況二(設(shè)計(jì)流量62.72m3/s)

        試驗(yàn)測(cè)得上游水位395.77m,下游水位388.92m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位395.74m,下游水位388.73m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位高0.03m,占總水頭的0.01%,因此不影響泄流,滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.341。消能率見表3。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見表4。

        (3)修改試驗(yàn)工況三(P=3.33%流量39.42m3/s)

        試驗(yàn)測(cè)得上游水位395.45m,下游水位387.98m。設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為上游水位395.37m,下游水位387.80m。試驗(yàn)測(cè)得上游水位與理論計(jì)算水位高0.08m,占總水頭的0.01%,因此不影響泄流,滿足泄流要求。流量系數(shù)m=0.242。消能率見表3。試驗(yàn)測(cè)得階梯處壓強(qiáng)值見表4。

        表3 試驗(yàn)測(cè)得泄流量及計(jì)算消能率

        表4 臺(tái)階消能段階梯處壓強(qiáng)分布

        修改后的試驗(yàn)施放了同樣的3個(gè)具有代表性的特征流量,并繪制了泄流量與上游水位關(guān)系曲線和理論計(jì)算值的對(duì)比曲線如圖1所示,從圖1中可以看出,對(duì)比泄流能力,各個(gè)工況均可達(dá)到泄流要求。

        在壓強(qiáng)方面,改為橢圓弧段后撤銷了1號(hào)、2號(hào)、13號(hào)和14號(hào)測(cè)壓孔,由于第一、二級(jí)臺(tái)階修改為橢圓弧段,因此其他測(cè)壓孔的壓力值均不同程度受到了影響,大部分壓力值有所增大。9號(hào)孔處出現(xiàn)了該方案中最大負(fù)壓,負(fù)壓值僅為-4.8kPa,負(fù)壓值較小,不會(huì)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

        圖1 兩方案水位流量與理論值對(duì)比曲線

        由上述水工模型試驗(yàn)可以看出,原設(shè)計(jì)方案和修改后設(shè)計(jì)方案,在泄流能力和消能率方面基本相同,但在壓強(qiáng)方面,修改方案要優(yōu)于原方案,修改方案降低了負(fù)壓,減少了在洪水泄流時(shí)發(fā)生氣蝕的可能,泄洪更為安全,故本次設(shè)計(jì)選用了修改后的方案。

        該選定的溢洪道消能布置方案,符合工程實(shí)際情況,消能方式采用了臺(tái)階式消能的方式,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得的消能率為:校核洪水流量148.56m3/s時(shí),消能率為31.20%;設(shè)計(jì)洪水流量62.47m3/s時(shí),消能率為66.29%;30年一遇洪水流量40.19m3/s時(shí),消能率為74.18%。由此可以看出,臺(tái)階式消能的結(jié)構(gòu)布置很好地解決了本工程溢洪道的消能防沖等問(wèn)題。

        2 結(jié)語(yǔ)

        當(dāng)泄洪建筑物下游布置消力池空間受限時(shí),采用臺(tái)階式消能的措施,能大大減小下游消力池等消能工的尺寸,以優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置和節(jié)省工程投資。

        臺(tái)階式消能在溢洪道消能方面應(yīng)用具有較好的消能效果,消能率達(dá)到70%以上,消能率與單寬流量有著密切聯(lián)系,在臺(tái)階的尺寸和型式保持一定時(shí),單寬流量越小其消能率越高。

        消能臺(tái)階的型式也會(huì)影響到泄流過(guò)程中的臺(tái)階處的壓強(qiáng)變化,當(dāng)單寬流量較大時(shí),建議結(jié)合水工模型試驗(yàn),來(lái)確定最優(yōu)的臺(tái)階尺寸和型式,以減少混凝土臺(tái)階氣蝕的發(fā)生,來(lái)保障泄流建筑物結(jié)構(gòu)安全。

        吉林省柳河縣時(shí)家店水庫(kù)溢洪道消能防沖工程自2010年投入運(yùn)行以來(lái),歷經(jīng)多年汛期洪水考驗(yàn),泄流平順,消能率高,下游尾水流態(tài)平穩(wěn),下游河道基本無(wú)沖刷,充分體現(xiàn)了臺(tái)階式消能在低水頭、小單寬流量溢洪道消能中布置的優(yōu)勢(shì)。

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