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        西藏湘河水利樞紐泄水建筑物泄流能力模型試驗研究

        2021-01-06 03:19:20馮云龍
        水利科技與經(jīng)濟 2020年12期

        于 凱,孫 宇,馮云龍

        (南京水利科學(xué)研究院 江蘇科興項目管理有限公司,南京 210029)

        1 概 述

        泄洪建筑物是水利樞紐工程的重要組成部分,泄洪建筑物的泄流能力對工程的安全使用起著十分重要的作用。賈紅娟等[1]通過模型試驗對某水庫泄洪流態(tài)進行分析,對消能體型設(shè)計提出建議;楊長春等[2-3]結(jié)合夾巖水庫工程,對水庫的泄洪、消能結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究,泄流能力可滿足要求;黃智文[4]結(jié)合巴利爾斯水電站工程,利用Fluent軟件對溢洪道水力特性進行分析,結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果較為吻合;張軍等[5]利用模型試驗,對樓莊子水庫的泄洪建筑物進行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后方案具備良好的泄洪能力;熊義貴等[6]利用模型試驗對吉爾格勒德側(cè)槽溢洪洞設(shè)計合理性進行分析,采用臺階式消能,保證了消能泄洪效果。物理模型試驗是常用的科研方法,結(jié)合湘河水利樞紐工程,利用模型試驗對其泄洪建筑設(shè)計可行性進行分析。

        2 工程概況

        湘河水利樞紐工程泄洪規(guī)模較大,百年一遇設(shè)計洪峰流量經(jīng)過調(diào)洪后為1 018 m3/s,2000年一遇設(shè)計洪峰流量為1 701 m3/s,百年一遇(含百年)以下的洪水都要通過溢洪道下泄,泄洪洞和導(dǎo)流泄洪洞是初設(shè)階段的主要泄洪建筑物。溢洪洞布置在河流左岸,溢洪洞軸線平面與導(dǎo)流泄洪洞軸線平行,軸線間距20 m,總長919.42 m,其中引水渠長135.32 m,控制段長25 m,洞身段長390 m,消力池長80 m,池后接長299.10 m的海漫。導(dǎo)流兼泄洪洞總長883.19 m,布置于左岸山體內(nèi)發(fā)電洞左側(cè),由導(dǎo)流洞后期改造為無壓泄洪洞,軸線與溢洪洞軸線平行,軸線間距20 m。

        3 不同工況流速、流態(tài)及水面線

        3.1 50年一遇洪水工況流速、流態(tài)及水面線

        50年一遇洪水下泄流量為906.44 m3/s時,溢洪洞單獨泄洪,上游庫水位為4 100.38 m。上游庫區(qū)水面平穩(wěn),水流進入溢洪洞進口段時右邊墻有明顯繞流,引水渠內(nèi)形成漩渦水流不平穩(wěn),進口平均底流速5 m/s,呈現(xiàn)右小左大的趨勢,堰頂?shù)钠骄魉贋?1.25 m/s。出孔水流沿中墩中心線挑起形成水翅,水翅高4.8 m、長18 m。泄槽段的流速逐漸增大,水面波動較大,水流時而翻過右側(cè)邊墻。水流經(jīng)過泄槽拋物線的連接處進入消力池流速較大,最大流速為27 m/s,消力池前26 m處形成急流區(qū),后半段形成不完整水躍,消力池后部分翻滾比較劇烈最高水位高出邊墻1.57 m,消能效果不夠理想。海漫段水流有所波動,0+324.95 m處的最大流速為6.95 m/s,0+384.95 m處的最大流速為5.64 m/s,0+441.45 m處的最大流速為5.31 m/s,海漫出口處的流速為4.27 m/s。受左側(cè)導(dǎo)堤影響,下游水流主流區(qū)位于河道中間,有利于下游防護。見圖1。

        圖1 溢洪洞流態(tài)(50年一遇洪水工況)

        3.2 百年一遇洪水下的流速、流態(tài)及水面線

        百年一遇洪水下泄1 017.59 m3/s時,溢洪洞單獨泄洪,上游庫水位為4 101.18 m。上游庫區(qū)水面平穩(wěn),當(dāng)水流進入溢洪洞進水段時右邊墻繞流嚴(yán)重,引水渠內(nèi)形成漩渦水流不平穩(wěn),平均底流速5.6 m/s,呈現(xiàn)右小左大的趨勢,堰頂?shù)钠骄魉贋?1 m/s。出孔水流沿中墩中心線挑起形成水翅,水翅高4.8 m、長19 m。泄槽段的流速逐漸增大,水面波動較大,水流時而翻過邊墻。水流經(jīng)過泄槽拋物線的連接處進入消力池流速較大,最大流速為27.3 m/s,消力池前29 m處形成急流區(qū),后半段形成不完整水躍,消力池后部分翻滾比較厲害最高水位高出邊墻3 m,消能效果不夠理想。海漫段水流有所波動,海漫段0+324.95 m處的最大流速為8.30 m/s,0+384.95 m處的最大流速為6.38 m/s,0+441.45 m處的最大流速為6.21 m/s,海漫出口處的流速為4.18 m/s。受左側(cè)導(dǎo)堤影響下游水流主流區(qū)位于河道中間。見圖2。

        圖2 溢洪洞流態(tài)(百年一遇洪水工況)

        3.3 校核洪水位下的流速、流態(tài)及水面線

        校核洪水位工況下上游來流為2 017.6 m3/s,溢洪洞與導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄洪,其中溢洪洞過流1 260 m3/s,導(dǎo)流泄洪洞過767.6 m3/s,上游庫水位為4 102.84 m。上游庫區(qū)水面平穩(wěn),當(dāng)水流進入溢洪洞進水段時右邊墻繞流嚴(yán)重,引水渠內(nèi)形成漩渦水流不平穩(wěn),平均底流速6.76 m/s,呈現(xiàn)右小左大的趨勢,堰頂?shù)钠骄魉贋?3.64 m/s。泄槽段的流速逐漸增大,水面波動較大,水流時而翻過邊墻。水流經(jīng)過泄槽拋物線的連接處進入消力池流速較大,最大流速為30 m/s,消力池前42 m處形成急流區(qū),后半段形成不完整水躍,消力池后部分翻滾劇烈最高水位高出邊墻5 m,消能效果不夠理想。海漫段水流波動較大,水流極易翻出左岸,導(dǎo)堤海漫段0+324.95 m處的最大流速為11.59 m/s,0+384.95 m處的最大流速為6.72 m/s,0+441.45 m處的最大流速為4.14 m/s,海漫出口處的流速為5.5 m/s。

        溢洪洞出口為無壓流,出口水面高4 057.39 m,最大底流速19.64 m/s。水流在消力池內(nèi)未形成完整水躍,消力池后部分翻滾比較劇烈最高水位高出邊墻4.6 m。見圖3。

        圖3 溢洪洞流態(tài)(校核洪水位工況)

        4 泄水建筑物泄流能力分析

        4.1 溢洪洞泄流能力

        溢洪洞泄流量按下式計算:

        (1)

        式中:Q為泄流量,m3/s;m為堰流量系數(shù);ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù);B為溢流堰總凈寬;H為未計入行近流速水頭的堰上水頭,m;g重力加速度,g=9.81 m/s2;M為包括側(cè)收縮系數(shù)在內(nèi)的堰流流量系數(shù),M=mε。

        由試驗得出,當(dāng)庫水位為50年一遇洪水位4 100.59 m時,試驗流量為940.05 m3/s,比設(shè)計流量906.44 m3/s大3.7%,其流量系數(shù)M=0.444;當(dāng)水庫為設(shè)計水位4 101.47 m時,試驗流量為1 060.00 m3/s,比設(shè)計流量1 017.59 m3/s大4.0%,流量系數(shù)M=0.442;當(dāng)水庫為校核水位4 102.84 m時,試驗流量為1 253.25 m3/s,比設(shè)計流量1 198.25 m3/s大4.6%,流量系數(shù)M=0.434。見圖4。

        圖4 溢洪洞庫水位與流量關(guān)系曲線

        4.2 導(dǎo)流泄洪洞泄流能力

        導(dǎo)流泄洪洞按有壓孔流的計算公式:

        (2)

        式中:Q為泄流量,m3/s;n為孔口數(shù)量;μ為流量系數(shù);Ak為孔口斷面面積,m2;Hw為水流自由出流時,孔口中心高程算起的上游水庫水深,m;

        由試驗得出,當(dāng)水庫為設(shè)計水位4 101.47 m時,試驗流量為736.00 m3/s比,流量系數(shù)μ=0.871;當(dāng)水庫為校核水位4 102.84 m時,試驗流量為757.6 m3/s,大于設(shè)計計算流量503 m3/s,流量系數(shù)μ=0.875。見圖5。

        圖5 導(dǎo)流泄洪洞庫水位與流量關(guān)系曲線

        4.3 溢洪洞與導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄流能力

        庫水位為4 102.84 m時,溢洪洞和導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄量為2 017.60 m3/s,比校核洪水1 701.31 m3/s大18.6%,泄水建筑物的整體泄洪規(guī)模滿足設(shè)計要求。見圖6。

        圖6 溢洪洞與導(dǎo)流泄洪洞聯(lián)合泄洪庫水位與流量關(guān)系曲線

        5 結(jié) 論

        1)溢洪洞泄流能力:當(dāng)庫水位為50年一遇洪水位4 100.59 m時,試驗流量為940.05 m3/s,比設(shè)計流量906.44 m3/s大3.7%,計算溢洪洞流量系數(shù)M=0.444;當(dāng)水庫為設(shè)計水位4 101.47 m時,試驗流量為1 060.00 m3/s,比設(shè)計流量1 017.59 m3/s大4.0%,流量系數(shù)M=0.442;當(dāng)水庫為校核水位4 102.84 m時,試驗流量為1 253.25 m3/s,比設(shè)計流量1 198.25 m3/s大4.6%,流量系數(shù)M=0.434。溢洪洞泄流能力滿足設(shè)計要求。

        2)導(dǎo)流泄洪洞泄流能力:當(dāng)水庫為設(shè)計水位4 101.47 m時,試驗流量為736.00 m3/s,計算泄洪洞流量系數(shù)μ=0.871;當(dāng)水庫為校核水位4 102.84 m時,試驗流量為757.6 m3/s,大于設(shè)計計算流量503 m3/s,流量系數(shù)μ=0.875。試驗實測泄洪洞泄流能力大于設(shè)計計算值,建議對泄洪洞進口尺寸進行優(yōu)化。

        3)聯(lián)合泄流能力:庫水位為校核洪水位4 102.84 m時,溢洪洞和導(dǎo)流泄洪洞敞泄聯(lián)合泄量為2 017.60 m3/s,大于比校核洪水1 701.31 m3/s,泄水建筑物的整體泄洪規(guī)模滿足設(shè)計要求。

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