从水工模型试验角度探讨岸边溢洪道水力设计优化_柯明辉.pdf

收稿日期:2022 09 30从水工模型试验角度探讨岸边溢洪道水力设计优化柯明辉1，2(1.福建省水利水电勘测设计研究院有限公司，福建 福州350001;2.福建省水动力与水工程重点实验室，福建 福州350001)摘要:岸边溢洪道设置在大坝旁侧岸边，进流与出流均与原河槽有一定夹角。该文针对岸边溢洪道水力设计普遍存在的溢洪道进流处出现回流、出流水流不归槽等问题，从水工模型试验角度提出修改优化建议。以朝阳水库工程岸边溢洪道为例，建立枢纽建筑整体水工模型，通过试验修改优化进流导墙曲线、闸室中墩尾部水翅、陡槽掺气坎体型和挑流鼻坎体型，整体改善岸边溢洪道水力条件，可供类似工程设计参考。关键词:岸边溢洪道;水工模型;进流导墙曲线;中墩尾部水翅;斜切扩散坎中图分类号:TV651.1文献标识码:B文章编号:1002 3011(2023)01 0038 061岸边溢洪道水力设计常见问题溢洪道是水利工程常见的泄水建筑物。当坝体内不宜布置泄洪设施或泄洪设施布置不下时，需在坝体以外建造泄洪设施，岸边溢洪道是其中常用的一种布置型式。岸边溢洪道指坝肩或岸边离坝一定距离的表孔泄水建筑物，一般由引水渠段、控制段、泄流段和消能工组成。溢洪道设置在大坝旁侧岸边，泄洪建筑中轴线与下游河槽存在一定夹角，工程设计方案常造成溢洪道进流不畅、进流处出现回流、鼻坎挑射水流冲击岸坡、出流水流不归槽等问题。2优化建议根据多年水工模型试验经验探索总结，从水工模型试验角度提出岸边溢洪道水力设计优化建议，供相关设计人员参考。2.1溢洪道进口导水墙设计岸边溢洪道泄流段轴线与坝轴线存在一定夹角，须使用引水渠段将库中水流平顺导引到溢流段。溢洪道进口导水墙设计不佳，引水渠中水流将发生漩涡或横向水流，影响溢洪道泄洪能力，造成下游泄槽流态恶化。当进水口毗邻主坝坝肩时，引水渠段靠近一侧山体，两侧导水墙长度不均，造成进流不均衡。靠近山体一侧的导水墙相对较长，进流经长导水墙导向，水流调整较均衡，进流相对较平稳顺畅;靠近库区一侧的导水墙相对较短，进流未经足够时间调整就进入溢流段，若与导流曲线体型不契合，易造成局部水流脱离边壁、局部旋涡回流等现象。优化建议如下:靠库区一侧的短导水墙尽量保持双圆弧甚至三圆弧衔接体型，从导水墙头部到溢流堰圆弧曲率半径由小变大，引导进流迅速转向。导水墙尽量采用较大的圆形头部，减少导水墙分割水流时造成局部水流脱离现象。导水墙进流曲线最外缘切线和控制闸中轴线的夹角与溢洪道进流夹角越接近，进流效果越好。2.2溢流堰中墩尾部体型选择岸边溢洪道溢流堰中墩尾部常见水翅。中墩两侧水流交汇产生水翅时能量集中，易对泄槽底板造成冲击;水翅尾部产生的冲击波与泄槽边墙交汇后，导致水流雍高甚至翻越边墙，对边墙及周边建筑物造成严重破坏。优化建议如下:溢流堰中墩尾部采用渐缩式尾墩体型，两侧渐缩角 10。渐缩式尾墩体型简单，能有效减少两侧水流对冲角度，引导水流逐渐交汇对冲，可明显减小水翅的不稳定摆动、高度和长度，降低水翅后的冲击波接触边墙时产生的雍水高度。2.3掺气减蚀设施布置岸边溢洪道通常坝高较高，水流落差大，陡槽内水流流速基本大于 20 m/s，属于高速水流范畴。泄槽具备空化条件，可能发生气蚀破坏。布置掺气832023 年第 1 期水 利 科 技减蚀设施是减少气蚀破坏的主要方法，其中掺气减蚀设施型式、布置位置及掺气坎高度对泄槽水流流态影响很大。在流速大于 20 m/s 的泄槽上，一个微小的突起就会引起水流的巨大变化。工程常用的掺气减蚀设施主要有挑坎式、跌坎式、槽坎式和突扩式等，优化建议如下:掺气减蚀设施采用槽坎式布置型式，能将掺气坎高度降到最低，在保障泄槽水流形态的同时保障掺气坎下具有足够的通气量。槽坎式掺气坎高度一般控制在 0.3 0.8 m，通常布置在泄槽水流流速大等于 25 m/s 位置。1 个槽坎式掺气减蚀设施直线保护长度约 70 100 m，超过 100 m 宜增设布置第二道掺气减蚀设施。由于水流掺气的缩尺影响，目前还不能通过模型试验准确预测原型掺气情况，现阶段模型试验、原型观测及理论分析仍将是掺气减蚀研究的主要途径1。设置掺气减蚀设施，工程型式简单，从以往众多实例看，不仅减免了空蚀破坏，还可以改善消能效果，有较大的经济效益和社会效益。2.4斜切坎设计岸边溢洪道轴线与河床斜交，通常挑流鼻坎挑射的水舌会冲击两侧山坡，无法顺利归槽。优化建议如下:在挑流鼻坎上设置斜切坎。斜切坎是将传统等宽挑坎沿某一角度斜切，使原单一挑角的挑流鼻坎演变为一系列有不同挑射角的多挑角鼻坎。高低坎挑角不同造成水流出射流速不同，水舌落点呈现远近不同梯次分布。通过调整斜切角度可将与河床斜交的溢洪道挑射水舌落点控制在下游河道中间，避免水流冲击两岸山坡，使水流归槽。调整斜切坎两侧边导水墙角度，使出挑的水舌在平面上进一步扩散，降低入水单宽流量，减少下游河床冲刷。斜切坎结构简单，挑距控制灵活，可有效解决窄深式下游河道水流归槽问题。3工程实例以朝阳水库工程大坝溢洪道为例，建立 170 比尺的整体水工物理模型，通过水工试验修改优化进流导水墙、闸室中墩尾部水翅、陡槽掺气坎体型和挑流鼻坎体型。考虑最不利工况影响，以下各种试验方案均在溢洪道下泄校核流量1 865 m3/s 时进行。库水位测点位置取堰上水头 8 倍之处，一般位于水库中。3.1工程概况朝阳水库是一座以灌溉和供水为主、兼顾发电的综合性水利工程，坝址以上流域面积 99.3 km2，水库总库容 4 351 万 m3，总装机容量 6 000 kW，工程规模为中型，工程等别为等。工程枢纽主要由拦河坝、溢洪道、引水系统及发电厂房等建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程 194.20 m，最大坝高 91.20 m，正常蓄水位 190.00 m。校核洪水重现期为 2 000 年一遇，相应校核水位 192.77 m，相应泄量 1 865 m3/s。设计洪水重现期为 100 年一遇，相应设计水位 190.84 m，相应泄量1 350 m3/s。岸边溢洪道布置于左岸，堰顶高程 178.50 m，挑流消能。岸边溢洪道剖面示意图见图 1，平面布置示意图见图 2。图 1岸边溢洪道剖面示意图93水 利 科 技2023 年第 1 期图 2岸边溢洪道平面布置示意图岸边溢洪道由进水渠段、闸室控制段、泄槽段、挑流段和出水渠段组成，全长 447.63 m，轴线与坝轴线夹角 75.08。进水渠平面呈圆弧形布置，闸室控制段与进水渠段相接。溢流堰为开敞式实用堰，分两孔，中间由闸墩隔开，每孔净宽 9 m。泄槽段紧接闸室控制段，净宽 20.5 m，矩形断面，底坡15.5。挑流段前接泄槽段，水平净宽 20.5 m，矩形断面，采用挑流消能，反弧半径 25 m，反弧中心角 32.30，其中挑射角22，反弧底高程119.96 m，鼻坎顶高程 121.78 m。3.2进水渠右导水墙岸边溢洪道进流方向与轴线存在 29夹角，进水渠左导水墙为弧形长导水墙，长约 108 m，圆弧半径 148 m，通过 16 m 的直墙段与控制闸衔接;右导水墙为弧形短导水墙，长约 33 m，由两条半径分别为 50 m 和 43 m 的圆弧组成导流曲线，头部采用圆弧衔接，如图 3 所示。3 种右导水墙体型方案对比如下:图 3进水渠段右导水墙体型比较示意图方案 1(原方案):右导水墙由 r1=50 m、1=20和 r2=43 m、2=20两段圆弧衔接组成，头部采用半径 1 m 的圆弧衔接。右导水墙进流曲线最外缘切线与控制闸中轴线夹角为 35。从库内绕过右导水墙头部的水流沿一定的转弯半径流向中墩头部附近，水流在右导水墙头部局部凹陷，水流脱壁，造成右导水墙内外侧水位差高达 2.76 m。绕流在右导水墙内侧出现小漩涡，形成最大宽 6.3 m、长约23 m 的回流区，最大回流流速 1.29 m/s。闸室中墩头部受到右导水墙绕流影响，出现雍水。校核工况库水位 192.73 m，中墩头部最高水位 192.45 m。方案 2:右导水墙由 r1=50 m、1=20，r2=20 m、2=30和 r3=6 m、3=30三段圆弧衔接组成，头部采用半径 2 m 的大圆柱做墩头。右导水墙进流曲线最外缘切线与控制闸中轴线夹角为 40。从库内绕过右导水墙头部的水流在右导水墙头部局部凹陷，右导水墙内外侧水位差高达 2.13 m。大圆柱头部减小了绕流影响，绕流在右导水墙内侧漩涡基本消失，但在边壁仍可看见少量水流紊动，影响右孔进流并造成中墩头部水位雍高。校核工况库水位 192.68 m，中墩头部最高水位 192.43 m。方案 3:右导水墙由 r1=80 m、1=15，r2=20 m、2=30和 r3=6 m、3=70三段圆弧衔接组成，头部是一个半径1.3 m 的圆形墩头。右导水墙进042023 年第 1 期水 利 科 技表 1右导水墙 3 种体型方案水力参数对比体型方案库水位/m流量系数 m溢上 0+016 横向水位差/m右导水墙侧最大水位差/m中墩头部最高水位/m方案 1192.730.435 80.862.76192.45方案 2192.680.438 10.832.13192.43方案 3192.640.439 90.691.76192.33流曲线最外缘切线与控制闸中轴线夹角为 30。从库内绕过右导水墙头部的水流在右导水墙头部略有凹陷，右导水墙内外侧水位差 1.76 m。右导水墙内侧漩涡基本消失，边壁水流紊动消失，水流基本能顺着导流曲线进入右孔，闸室中墩头部水位有所降低。校核工况库水位 192.64 m，中墩头部最高水位192.33 m。以上 3 种右导水墙体型方案见图 3，数据对比见表 1。综上，方案 3 右导水墙导流曲线夹角与岸边溢洪道进流方向夹角最接近，各项水力参数最优，进流效果最好。3.3中墩尾部体型岸边溢洪道闸室中墩尾部左右孔水流交汇对冲，产生激烈的对流冲击波，在中墩尾部形成一股不稳定的水翅。水翅尾部产生菱形水流，冲击两侧边墙，引起水流扰动紊乱，导致下泄水流流态恶劣。本次试验通过调整中墩尾部体型，以基本消除水翅，减小因水体摆动造成陡槽内菱形波的不稳定性，改善水流流态。试验采用两种中墩尾部体型进行比较:体型控制闸中墩厚 2.5 m，体型中墩尾部采用渐缩式体型，从 2.5 m 渐缩至 0.8 m，如图 4 所示。通过墩后流态判断 2 种中墩尾部体型水力条件优劣，通过水翅高度 H、长度 L 和水翅下游冲击波与两侧边墙交汇时雍高水位等参数对比研究 2 种中墩尾墩体型在消除水翅中的作用，以选出适合该工程的中墩尾部体型。(a)中墩尾部体型(b)中墩尾部体型图 42 种中墩尾部体型(1)流态分析比较。流态能最直观判断水力条件优劣2。体型中墩两侧两股水流在尾部形成局部真空，水流直接交汇对冲，造成墩后水流跳跃，形成不稳定的左右摆动水翅;水翅竖向呈月牙状的连续性水体左右摆动，于墩后 21 m 附近潜入水中，尾部伴有一定的散落水珠;随后在陡槽内形成一个较对称的菱形波。体型中墩两侧两股水流通过渐缩式体型的引导逐渐交汇，水流交汇处形成的左右摆动的不稳定水翅基本消失，墩后水流略高于附近水面，流态改善明显;交汇后水流仍形成一个较对称的菱形波。从流态分析看，中墩尾部体型优于体型。(2)水翅形态参数比较。2 种中墩尾部体型的水翅形态参数见表 2。从表 2 看，与体型相比，体型中墩尾部水翅高度减小 1.2 m，长度减小 6.3m，水翅下游冲击波与两侧边墙交汇时雍高水位减小 0.52 0.89 m，各项水力参数均优。表 2两种中墩尾部体型水翅参数(校核工况)中墩尾部体型水翅高度H/m水翅长度L/m水翅下游冲击波与两侧边墙交汇时雍高水位/m体型2.021.3162.60 162.81体型0.815.0162.08 161.923.4掺气减蚀措施朝阳水库混凝土面板堆石坝最大坝高 91.20 m，校核洪水工况下，溢流堰水流最大落差近 80 m，泄槽水流流速大于25 m3/s，属于高速水流范畴，具备空化条件，可能发生气蚀破坏，设计宜布置掺气减蚀措施。判别发生空化一般标准如下:空化数 i(初生空化数)，不发生空化