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        赤吟橡膠壩不同塌落度下水力特性的試驗(yàn)研究

        2020-11-30 06:15:10馮小麗王麗雯
        廣東水利水電 2020年11期
        關(guān)鍵詞:壩袋海漫蓄水位

        馮小麗,劉 達(dá),王麗雯

        (1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635;2.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635;3.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)

        1 工程概況

        赤吟水閘樞紐工程位于龍江河下游惠來縣南海鎮(zhèn),是以灌溉為主,結(jié)合供水、改善下游農(nóng)田排澇條件和神泉港水環(huán)境綜合利用水閘樞紐工程。水閘正常蓄水位為3.50 m,相應(yīng)庫(kù)容為853萬(wàn)m3。樞紐工程50年一遇的設(shè)計(jì)洪水流量為4 042 m3/s,100年一遇的校核洪水流量為4 590 m3/s,工程屬Ⅱ等,工程規(guī)模為大(2)型。在工程可研階段,比選了兩個(gè)方案。方案一是在龍江河汊口的新河道赤吟處設(shè)一橡膠壩,在老河道邦莊處設(shè)一攔河閘,形成河道型水庫(kù)(見圖1所示)。方案二則保持邦莊的攔河閘以及船閘的設(shè)計(jì)不變,把赤吟處的橡膠壩改為14孔的攔河閘。

        圖1 赤吟水閘樞紐工程平面布置示意

        由于樞紐在兩個(gè)汊道布置了雙水閘[1-3],又處于彎道,其聯(lián)合行洪的水流流態(tài)較為復(fù)雜[4-5],故需通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。

        本文主要研究橡膠壩不同塌落度時(shí)的流態(tài)、過流能力及下游消能安全水位[6]。赤吟橡膠壩設(shè)計(jì)采用對(duì)稱布置,包括壩袋、壩基礎(chǔ)底板、中墩、邊墩、上游鋪蓋、上下游翼墻、上下游護(hù)坡、下游消力池及海漫段。每跨壩面長(zhǎng)為97.6 m,壩底長(zhǎng)為78 m,壩袋頂高程為3.50 m(設(shè)計(jì)壩高4.60 m)。在橡膠壩下游設(shè)消力池,消力池長(zhǎng)度為18 m,池深為1.5 m,池底高程為-2.50 m,尾檻頂高程為-1.00 m;在消力池后面設(shè)有海漫及防沖槽,海漫及防沖槽長(zhǎng)度為42 m(見圖2)。

        2 模型設(shè)計(jì)與制作

        橡膠壩斷面模型截取20 m長(zhǎng)的壩袋進(jìn)行模擬。模型按佛汝德(Froude)相似定律設(shè)計(jì)為正態(tài),模型幾何比尺Lr=40。橡膠壩底板、閘墩、消力池、橡膠壩壩袋等水工建筑物均采用杉木精制、石蠟拋光,可滿足糙率相似的要求。

        圖2 赤吟橡膠壩斷面模型設(shè)計(jì)方案布置示意

        試驗(yàn)?zāi)M了上游正常蓄水位,邦莊攔河閘8孔全開、赤吟橡膠壩塌落下泄多余洪水,處于不同塌落度時(shí)的工況[3-4]。不同塌落度的剖面形態(tài)見圖3及表1。

        圖3 不同塌落度的剖面形態(tài)示意

        表1 各級(jí)壩高編號(hào)及壩頂高程 m

        3 橡膠壩塌落試驗(yàn)研究成果分析

        3.1 橡膠壩的消能流態(tài)及消能安全水位

        泄洪時(shí),橡膠壩是均勻緩慢地塌落。開始溢流時(shí),隨著水位差增大,壩袋緩慢塌落,單寬流量逐漸增加,下游水深相應(yīng)增加,水位差逐漸減少;當(dāng)壩袋塌平后,水位差接近于零。

        工程可研報(bào)告中橡膠壩的運(yùn)行方式,邦山攔河閘來水量Q為:1 490 m3/s(P=50%)

        原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)上游為正常蓄水位3.50 m、下游遭遇最低潮位-1.01 m(最不利工況),泄流量為108.95 m3/s時(shí),橡膠壩開始塌落至壩高3.90 m(高程2.80 m),水流從高處順壩袋跌落,在消力池斜坡段形成水躍,坎后出現(xiàn)跌水。原設(shè)計(jì)方案不能滿足安全消能的要求,為此,對(duì)原方案的消能工進(jìn)行了修改。

        經(jīng)優(yōu)化,將消力池水平段池長(zhǎng)延長(zhǎng)至20 m,降低池底高程至-3.50 m,設(shè)消力墩,同時(shí)將消力池尾坎高程降至-2.00 m,坎后接1:23.5斜坡海漫段(見圖4所示)。最不利工況結(jié)果表明,橡膠壩開始塌落至壩高3.90 m時(shí),壩頂堰上水頭較低,下泄流量小,水流緊貼壩面而下,在壩后底板以及消力池內(nèi)形成較薄水墊,下泄水流撞擊消力墩后,在消力池斜坡段形成穩(wěn)定的強(qiáng)迫水躍。水流經(jīng)消力池消能后,出坎水流較平順,最大底流速為1.33 m/s,海漫中段的最大底流速已經(jīng)降為0.51 m/s,至防沖槽末端,流速已經(jīng)減小至0.39 m/s,與下游天然河道水流正常銜接,消能效果良好。

        隨著壩袋逐漸下塌,壩前一段距離內(nèi)水面線逐漸變陡,堰上水頭和單寬流量都逐步增大,過壩水流動(dòng)能加大,除塌落壩高0.70 m的工況外,其余工況水流均能在與消力墩發(fā)生碰撞后在消力池斜坡段形成穩(wěn)定水躍,水流發(fā)生較強(qiáng)烈的紊動(dòng)摻氣消能。當(dāng)上游為正常蓄水位3.50 m時(shí),塌壩高度為3.10 m、2.30 m、1.50 m、0.70 m工況的消力池坎后最大底流速分別為1.52 m/s、2.18 m/s、2.59 m/s、2.29 m/s,消能效果良好(見圖5),出池水流與下游河道水流平順銜接。當(dāng)上游為正常蓄水位1.50 m時(shí),塌壩高度為1.50 m和0.70 m工況的消力池坎后最大底流速分別為1.54 m/s和1.91 m/s,出池水流亦能與下游河道水流平順銜接[7]。

        圖4 赤吟橡膠壩斷面模型優(yōu)化方案布置示意(單位:高程 m,長(zhǎng)度 mm)

        圖5 赤吟橡膠壩斷面模型優(yōu)化方案流態(tài)示意

        在正常蓄水位工況下,橡膠壩會(huì)處于不同的塌落度進(jìn)行塌壩溢流,宣泄多余洪水流量,以維持上游正常蓄水位。試驗(yàn)中,分別模擬橡膠壩處于近期1.50 m正常蓄水位下的3個(gè)塌落度以及遠(yuǎn)期3.50 m正常蓄水位的5個(gè)塌落度的運(yùn)行工況,成果見表2。該河段屬于感潮河段,下游難以確定穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,因此,除初始塌落工況的下游水位以歷年最低低潮位-1.01 m作為控制水位,其他塌落度工況均以水躍在消力池發(fā)生穩(wěn)定水躍,滿足安全消能為條件控制下游水位。

        表2 赤吟橡膠壩不同塌落度泄流量及下游安全水位

        3.2 橡膠壩不同塌落度時(shí)的過流能力

        橡膠壩在不同塌落度時(shí),自由泄流條件下,上游水位對(duì)應(yīng)的泄流量。從圖6可看出,同一塌落高度,上游水位越高,下泄流量越大,同時(shí)流量越大,上游水位升高逐漸緩慢。

        圖6 橡膠壩不同塌落度的上游水位與泄流量關(guān)系曲線示意

        試驗(yàn)研究下游水位變化對(duì)橡膠壩過流能力的影響見表3。結(jié)果表明:橡膠壩泄流時(shí),下游水位只有上升到一定高度才會(huì)對(duì)上游過流造成頂托影響。因此,實(shí)際橡膠壩泄流時(shí)受下游潮位漲落的影響較小,過流能力較為穩(wěn)定。橡膠壩實(shí)際操作過程中可以通過調(diào)整塌落壩高靈活控制下泄流量。

        表3 正常蓄水位3.5 m時(shí)對(duì)上游產(chǎn)生頂托影響的下游臨界水位

        3.3 橡膠壩運(yùn)行管理建議

        1) 由于橡膠壩充起和塌落的周期較長(zhǎng),汛期應(yīng)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和上游洪水預(yù)報(bào),預(yù)先騰空庫(kù)容,削減洪峰,保證橡膠壩安全,避免上游淹沒損失。

        2) 橡膠壩初始泄流時(shí),由于此時(shí)下游水位較低,塌壩速度應(yīng)加以控制,突然泄放較大流量,易造成下游水工建筑物破壞;因此,橡膠壩應(yīng)該先塌落0.3~0.6 m的高度,泄流一段時(shí)間后,待下游水位上升達(dá)到下游消能的安全水位后,再繼續(xù)下塌。

        3) 當(dāng)橡膠壩溢流時(shí),必須隨時(shí)進(jìn)行觀測(cè),避免壩袋發(fā)生振動(dòng)。若在溢流時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象,應(yīng)加快充排速度,迅速改變壩高,以減輕或消除振動(dòng)現(xiàn)象。

        4) 應(yīng)盡量避免橡膠壩長(zhǎng)時(shí)間處于較低的壩高進(jìn)行大流量泄流,以免由于水流強(qiáng)脈動(dòng)造成壩袋貼地部分磨損破壞。

        5) 為防止橡膠壩老化、延長(zhǎng)壩袋的使用期,需及時(shí)檢查壩袋的情況,如出現(xiàn)老化裂紋,應(yīng)及早進(jìn)行表面涂防老層的處理,同時(shí)注意遮掩壩袋,避免直接照射,盡量保證橡膠壩壩面經(jīng)常過流[8]。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文通過赤吟橡膠壩斷面物理模型試驗(yàn),研究了橡膠壩的塌落度形態(tài),測(cè)試橡膠壩在不同塌落度時(shí),上游水位對(duì)應(yīng)的橡膠壩泄流量。試驗(yàn)表明,同一塌落高度的橡膠壩,上游水位越高,下泄流量越大。研究了不同流量和塌落度組合工況下,橡膠壩壩后消能的流態(tài),優(yōu)化壩后消力池和海漫段的布置,并提出了不同流量對(duì)應(yīng)的消能安全水位,還提出了赤吟橡膠壩今后運(yùn)行的調(diào)度規(guī)則、管理建議??晒╊愃乒こ淘O(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。

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