大河沿水库溢洪道增设掺气坎模型试验研究_孙海瑞.pdf

2023年4月收稿日期：20221120作者简介：孙海瑞（1988），男，工程师，主要从事水利工程设计工作。摘要：为研究大河沿水库溢洪道增设前置掺气坎下设计方案对溢洪道沿程断面水力参数及消力池渗流场影响，采用水力模型试验方法，分析了不同坎阶高度方案下溢洪道沿程空腔、压强特征与池内流速变化。研究表明，坎阶高度与空腔分布长度具有正相关，但过大的坎阶高度不利于空腔稳定。以坎阶高度1.2 m为界，时均压强分别具有“先增后减”与“先增后减再二次递增”的特征，坎阶高度1.41.6 m时沿程下游出流段时均压强的递增易导致入池势能过大。坎阶高度与池内流速为负相关，但坎阶高度超过1.2 m后，池内具有流速二次递增段，峰值流速靠近出池口，消能降冲效果较弱。综合试验结果，认为坎阶高度设计1.2 m更为有利。本研究可为水库溢洪道掺气坎结构设计优化及模型试验分析提供参考。关键词：大河沿水库；溢洪道；模型试验；掺气坎中图分类号：TV651.1；TV131.61文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）04-0086-04DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.04.023大河沿水库溢洪道增设掺气坎模型试验研究孙海瑞（新疆云沣水利设计咨询有限公司，新疆乌鲁木齐830002）Model Test Study on Adding Aeration Bucket to the Spillway of Daheyan ReservoirSUN Hai-rui（Xinjiang Yunfeng Water Conservancy Design Consulting Co.，Ltd.，Urumqi 830002，China）Abstract：In order to study the influence of the design scheme of adding front aerator to the spillway of Daheyan Reservoiron the hydraulic parameters along the spillway section and the seepage field of the stilling pool，the hydraulic model testmethod was used to analyze cavity，pressure characteristics and pool flow velocity changes along the spillwayunder theschemes of different bucket step heights.The research shows that there is a positive correlation between ridge height andcavity distribution length，but too large ridge height is not conducive to cavity stability.Taking the bucket step height 1.2 mas the boundary，the time average pressure has the characteristics of first increase and then decrease and first increaseand then decrease and then increase again respectively.When the bucket step height is 1.41.6 m，the increase of the timeaverage pressure along the downstream outflow section is likely to lead to excessive potential energy into the pool.Theheight of the bucket step is negatively correlated with the flow velocity in the pool.However，when the height of the bucketstep exceeds 1.2m，there is a secondary increase section of the flow velocity in the pool.The peak flow velocity is close tothe outlet of the pool，and the effect of energy dissipation and scour reduction is weak.Based on the test results，it isconsidered that 1.2m is more favorable for the design of bucket height.The paper can provide reference for the structuraldesign optimization and model test analysis of reservoir spillway aerator.Key words：Daheyan Reservoir；spillway；model test；aeration bucket溢洪道为水利工程中重要组成部分，其运营安全涉及面较广，对水库、水电站等水利枢纽的安全泄流具有重要价值1，2。研究溢洪道工程设计，有助于推动水工建筑设计水平。空蚀防护是溢洪道结构设计关注重点，探讨有效的空蚀防护设计，不仅需要考虑溢洪道沿程水力参数状态，也不可忽视消能防冲等结构设计。邓硕彦3、鲁洪4为研究溢洪道空蚀防护，提出采用增设掺气坎构件的方式确保溢洪道出流段挑能防蚀，并针对掺气坎的高度、挑角等设计参数进行了对比分析，有助于溢洪道掺气坎设计方案优化。溢洪道溢流台阶设计对溢流面防蚀、消能均有显著影响，因而刘利军5借助三维渗流场仿真方法，对溢洪道的首级台阶截面尺寸进行了设计分析，评价了不同台阶截面设计方案下沿程断面空腔、压海河水利862023.No.4强以及消能率特征，为实际工程设计参考提供了依据。溢流台阶与掺气坎均是溢洪道重要结构，武英豪等6、张启明7综合考虑掺气坎挑角与台阶布置角度，采用模型试验方法，分析了增设掺气坎下溢流阶梯上压强、流态特征，也评价了台阶上挑、下跌等设计方案下溢洪道水力参数变化，丰富了溢洪道结构设计参考成果。本文为研究大河沿水库溢洪道结构增设前置掺气坎下设计方案与水力参数、渗流场的适配性，进行了不同坎阶高度方案下的水力参数影响分析，为最优设计遴选提供了参照。1研究背景1.1工程介绍大河沿水库是新疆吐鲁番地区重要供水枢纽，承担着吐鲁番市农业灌溉、生活用水以及蓄洪调度的功能，其与吐鲁番直线距离约80 km，惠及包括吐鲁番北部、中部等重要农业生产区，实际建设输水灌渠长度超过120 km，初始设计总库容3 250万m3。作为大河沿水库发挥泄流、防洪的重要载体，溢洪道工程是水库运营尤为关注的重点，进口段长60.95 m，底板高程1 603.5 m，采用重力挡墙结构防护型式，临渠面直立。控制段为双控驼峰堰型，宽度6 m，末段底板高程较之进口段降低了0.5 m。泄槽段长度180 m，采用阶梯溢流面，共有26级台阶。根据溢洪道水力设计计算，得到溢洪道在单宽泄流下的水位特征，如图1所示。结合溢洪道模拟运营效果，考虑在溢洪道泄流段前端增设掺气坎，但掺气坎设计方案对溢流面水力参数状态具有显著影响，因而工程部门针对此开展水力模型计算，为工程建设提供最优依据。1.2设计分析为研究大河沿水库溢洪道增设前置掺气坎下设计参数优化问题，采用水力模型试验方法，对溢洪道增设掺气坎下各方案中水力参数及渗流场特征参数进行分析。基于水库溢洪道设计现状，经部分构造简化，溢洪道水力模型试验几何设计如图2所示。该模型中几何比尺为60，模型糙率为1.6，全轴长约12 m，其中进口段进行了改良设计，采用WES曲面作为控制段进水面，并在掺气坎前端增设宽尾墩结构，全坡度为1/0.75，首阶截面尺寸为1 m0.75 m，其台面为上挑10设计，下游的反弧段控制半径为8 m，消力池乃是下游联合消能体主体，池内宽度2.6 m。试验中，采用与大河沿水库上游泥沙相匹配的含沙水流作为试验泄流载体，溢流面以及反弧段等挡水面均采用硬化玻璃结构，而下游消力池四周采用硬化混凝土为挡水面；来水流量比尺为16 000，溢洪道模型中溢流面、消力池的中流速比尺以及其他水力参数物理比尺分别设定为7.5、50。模型试验的可靠性与精密测量密切相关，因而该溢洪道模型针对压强、流速以及水位等水力参数设置等间距监测断面。图3（a）为溢流面及下游消力池内压强监测断面，断面间距0.6 m。消力池运营状态反映了其消能防冲效果，图3（b）为消力池内流速监测断面，每个断面上均有低频振动的流速探测仪。试验方案中，首阶台面和掺气坎截面尺寸等保持一致，仅改变掺气坎与首阶台面高度。按照已有工程经验，分别设定坎阶（掺气坎与首阶）高度为0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6 m，共计6个方案。典型掺气坎与首阶设计方案，如图4所示。基于上述方案模型试验结果，评价溢洪道增设前置掺气坎设计方案的利弊性。图1单宽泄流下水位特征图2溢洪道水力模型设计图3监测断面（b）消力池内流速（a）溢流面及下游消力池内压强掺气坎WES曲面宽尾墩阶梯溢流坝消力池0+2.1800+36.0101 0.7553.130+64.1401 0.61 6201 6181 6161 6141 6121 6101 6081 606上游水位/m02004006008001 000流量/（m3s-1）消力池段消能池监测断面孙海瑞：大河沿水库溢洪道增设掺气坎模型试验研究872023年4月2溢洪道沿程断面水力参数特征2.1空腔分布特征为研究溢洪道增设前置掺气坎下其坎阶高度设计参数优化问题，基于水力模型试验结果数据，获得了溢洪道沿程断面水力参数变化，沿程断面空腔分布特征如图5所示。从图5可以看出，当坎阶高度愈大，总体上空腔分布长度愈高，在沿程断面4 m处、坎阶高度0.6 m下的空腔长度为20.76 cm，而在坎阶高度增大至1、1.2、1.6 m后，相应同断面处的空腔长度较前者分别上升了39.2%、58%、66%。经分析可知，坎阶高度愈大，愈能促进溢洪道沿程断面空腔分布，从而对溢流面空蚀防护更为有利。从溢洪道沿程空腔分布均值对比来看，在坎阶高度0.6 m时，其分布均值为21.1 cm，而随坎阶高度每递增0.2 m，则其空腔长度分布值平均上升了9.9%，但空腔分布均值较大增幅集中于坎阶高度0.61.2 m，此4个方案中空腔分布长度平均上升了16.8%。经分析可知，沿程空腔分布变化受坎阶高度差异化影响较大8，尤其在坎阶高度1.2 m后空腔分布长度提升空间较小，结构设计时应以此为基准。从沿程变化趋势可知，空腔分布长度呈“先增后稳定”变化，但不同坎阶高度方案下空腔长度分布变化转折节点有所差异。坎阶高度0.6 m下，其“增长稳定”变化节点位于断面10 m，而坎阶高度1、1.2、1.6 m下分别位于断面6、5、5 m处。由此可知，坎阶高度愈大，沿程空腔分布稳定段占比愈多，也就是其变化转折节点更为提前，更能体现前置掺气坎对沿程溢洪道结构空蚀的防护效果。2.2时均压强特征根据模型试验监测结果，获得了沿程时均压强变化特征，如图6所示。依据图6时均压强变化特征可知，不同坎阶高度方案下时均压强具有不同变化趋势。当坎阶高度低于1.2 m时，时均压强呈“先增后减”的2个阶段特征；而坎阶高度超过1.2 m后，时均压强为“先增后减再二次递增”的3个阶段变化特征。不同的坎阶高度掺气坎对上游泄流挑高有所差异，对水力动能的差异性影响造成溢洪道沿程断面具有差异性