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        水電站W(wǎng)ES實用溢流堰泄流能力曲線推導

        2022-03-16 12:37:14
        黑龍江水利科技 2022年2期
        關鍵詞:閘孔溢流水頭

        李 琨

        (水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

        1 實用溢流堰泄流能力推導相關理論

        1.1 堰流工況

        在水工閘門完全開啟的工況下,水流泄流并不受閘門控制,此種出流狀態(tài)即為堰流,考慮到WES實用堰是水利水電工程中較為常見的一種堰體型式,故通過能量方程進行WES實用堰堰流公式的推導[1],具體分析模型見圖1,圖中以WES實用堰堰頂水平面為N-N基準面,過水斷面0-0為上游與堰壁(3-5)H之間的漸變斷面,過N-N基準面和水舌中線交點的斷面為1-1斷面。

        圖1 WES實用堰堰流模型

        模型中0-0斷面及1-1斷面能量方程可表示如下:

        (1)

        (2)

        其中,流速系數(shù)φ<1。

        (3)

        (4)

        式中:n為閘孔孔數(shù);σs為淹沒系數(shù),其取值主要體現(xiàn)WES實用堰下游水流銜接程度;ε為側收縮系數(shù),取值體現(xiàn)水流對WES實用堰翼墻和閘墩的影響程度。

        1.2 閘孔出流工況

        在水工閘門部分開啟的情況下,水流主要從閘底板和閘門底緣所形成的孔中流出,此種出流狀態(tài)即為閘孔出流,其模型見圖2。應用能量方程可得到WES實用堰C-C斷面流速公式:

        (5)

        (6)

        圖2 WES實用堰閘孔出流模型

        2 實用堰泄流能力曲線繪制

        初始行近流速計算斷面選擇堰前無明顯下降的斷面,并按照下式進行初始行近流速計算:

        v0=Q/(BH0)

        (7)

        式中:B為溢流壩段與非溢流壩段總長度,m;Q為上游與堰壁(3-5)H處斷面流量值(m3/s);其余參數(shù)含義同前。

        結合實踐經(jīng)驗,初始行近流速取值對低堰泄流能力存在較大影響,但對于高堰而言,其泄流能力受行近流速水頭的影響較小,可忽略不計。

        WES實用堰閘孔出流及堰流的轉換主要受閘門開度e/H的影響較大,在堰頂水頭既定情況下閘門開度從0增大至0.65H,閘后水面在這一過程中保持平靜狀態(tài);當閘門開度從0.65H增大至0.75H,這一期間開始出現(xiàn)水面坡降,泄流狀態(tài)位于閘孔出流和堰流之間;而當閘門開度達到并超出0.75H后形成堰流。從以上變化可以看出,閘門開度e/H和垂直收縮系數(shù)之間并非簡單的正相關關系[3],垂直收縮系數(shù)劇烈變動時,WES實用堰便表現(xiàn)出從閘孔出流向堰流變化的泄流狀態(tài)。

        結合上述對WES實用堰在有閘控制下泄流狀態(tài)的分析,其泄流狀態(tài)包括閘孔出流和堰流兩種狀態(tài),故閘門開度e/H<0.65H時用閘孔出流公式;閘門開度e/H在0.65H-0.75H之間時用堰流公式;在閘門開度e/H=0.65H和0.75H兩點上通過緩增及近似直線連接。通過這一方式得出WES實用堰有閘控制下水位-流量曲線后,還應結合多次調洪演算結果,進行該曲線的校核與修正。

        3 工程應用

        3.1 工程概況

        某二級水電站工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi),距上游已建的X水電站1km、距下游在建的開都河小山口水電站10km、距下游哈爾莫墩水電站24km、距和靜縣88km、距庫爾勒市130km。該二級水電站樞紐布置采用中閘址方案,工程為Ⅳ等小(1)型工程,溢流堰位于河道左岸河槽內(nèi),溢流堰全長67m,堰頂高程為1351.3m,溢流堰采用WES實用堰,溢流堰采用內(nèi)部漿砌石,外包0.5m厚C30鋼筋混凝土面板結構,溢流堰每10m設一閘墩,閘墩頂高程為1353.50m。校核洪水位下泄流量為266.36m3/s,設計洪水位下泄流量為49.94m3/s。

        3.2 行近流速檢驗

        通過正態(tài)水工模型和實測資料的對比進行該水電站W(wǎng)ES實用溢流堰行近流速公式檢驗,該水工模型按照重力相似準則及1:40比例尺進行設計,并通過矩形薄壁堰控制、測量來水流量,檢測結果詳見表1所示。

        將已經(jīng)得到的堰前斷面形狀、流量及流量系數(shù)、水位等取值代入堰頂總水頭公式及式(7)進行行近流速計算,再根據(jù)WES實用溢流堰堰流公式進行流速影響堰流程度的驗證。計算結果詳見表2。

        通過分析以上計算結果可以看出,在忽略行近水頭情況下,流量計算結果與實測結果相差甚微,行近流速對流量計算結果的影響可以忽略不計;而在考慮行近水頭的情況下,流量計算結果比實測結果略高,且差值也比忽略行近水頭情況下差值大,但值仍符合相關規(guī)范許可范圍。由此可以推斷,應用文章方法所得到的行近流速推算結果與實測結果吻合度較高。

        3.3 堰流能力曲線繪制

        從該水電站W(wǎng)ES實用溢流堰堰頂水頭起調,可以得到閘門開度e/H=0.65H及0.75H時對應水位分別為249.51m和251.24m,也就是說249.51m-251.24m區(qū)間為該實用堰出流狀態(tài)過渡階段,將計算所得數(shù)據(jù)描繪在水位-流量圖中,便可得到該WES實用溢流堰泄流能力曲線,具體見圖3。

        圖3 實用溢流堰泄流能力曲線

        圖中各點所對應的下泄流量分別為0m3/s、25m3/s、70m3/s、128m3/s、194m3/s、271m3/s、350m3/s、436m3/s、525m3/s、617m3/s、710m3/s、809m3/s、908m3/s、1009m3/s、1111m3/s、1140m3/s、1216m3/s、1267m3/s、1403m3/s、1523m3/s、1667m3/s、1806m3/s、1950m3/s。

        4 結 論

        綜上所述,對于水工WES實用溢流堰而言,其泄流狀態(tài)由閘孔出流和堰流兩種狀態(tài)構成,在閘門開度e/H<0.65H時表現(xiàn)為閘孔出流,閘門開度e/H0.65H-0.75H之間時表現(xiàn)為堰流,故在以上兩個階段分別采用閘孔出流公式和堰流公式,并通過緩增及近似直線連接閘門開度為0.65H和0.75H兩點處的曲線,便可得到WES實用堰有閘控制下水位-流量曲線。為保證理論曲線的適用性,還必須結合多次調洪演算結果,進行該曲線的校核和修正。

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