布仑口水电站消力池尾坎位置模型试验

2012-09-06韩守都刘韩生吴宝琴

水利水电科技进展 2012年1期

韩守都,刘韩生,吴宝琴

(1.新疆水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐 830000;2.水利部西北水利科学研究所,陕西杨凌 712100)

布仑口水库拦河坝为浇筑式沥青混凝土心墙坝,最大坝高 35m,共有两个泄水建筑物,左岸布置一岸边溢洪道,右岸设有一导流兼泄洪冲沙洞,都采用底流消能。设计泄洪流量 201.4m3/s,施工导流设计流量153m3/s。导流兼泄洪冲沙洞的消力池体型见图1,其上游接有压洞,下游接退水渠,将水流导入河床。

该工程整体水力学模型试验(模型比尺1∶40)的结果表明,导流兼泄洪冲沙洞消力池中会形成远驱水跃,不能满足工程要求。设计工况的流态见图2。

图1 消力池尾坎位置体型(单位:高程m,其余cm)

图2 尾坎未上移时设计工况形成的远驱水跃

远驱水跃是常见的水力学现象[1-8],常用的处理措施较多,主要有:①消力墩。设置消力池消力墩可以提高消能率,稳定消力池流态,一般用在弗劳德数较小、流速较低的情况,不适合本工程情况。②降低底板高程。这是一种有效的措施,缺点是增加工程量。③提高消力池前的扩散程度。这实际上是减小第一共轭水深,加宽消力池宽度,降低单宽流量。这种解决问题的措施仍以增加工程量为代价。④加高尾坎。这实际上是通过提高第二共轭水深来解决问题,副作用是加剧了消力池的尾水跌落程度,对退水渠流态不利。以上措施皆有不同程度的副作用,有必要寻求新方法。试验表明,通过控制尾坎位置能够消除远驱水跃[9],但这种措施目前研究的较少。为此,本文设计了1∶40水力学模型试验,提出将尾坎往上游移动5m,将尾坎始段位置与渐变段始段错开,旨在避免远驱水跃,解决消力池的消能问题。

1 消力池尾坎位置试验

1.1 试验方案

如图1所示,控制尾坎位置实际是将尾坎的位置与消力池后的扭面渐变段始端错开,即保持渐变段体型及位置不变,将尾坎始段位置往上游移动,要求尾坎的高程及高度不变。试验采取了3种试验方案,分别将消力池尾坎始段位置往上游移动15.0m,7.5m和5.0m。试验的目的是决定尾坎的始段位置往上游移动的距离L,这是一种减少工程量的措施,L越大,工程量减少得越多。

2.2 试验结果

a.试验方案1。将导流洞消力池尾坎在高度不变的情况下向上游移15.0m,设计水位时跃首位于池首上游11.2m(沿1∶6.4斜坡),跃末位于尾坎处;总体看消能水体不足,水跃不完整,池内水跃段水面波动较大,设计工况的流态见图3。

图3 尾坎上移15.0m时设计工况形成的水跃

b.试验方案2。在方案1的基础上尾坎下移7.5m,即较原方案尾坎上移7.5m。设计水位时,跃首位于池首上游9.5m,水跃较完整。设计工况的流态见图4。

图4 尾坎上移7.5m时设计工况形成的水跃

c.试验方案3(推荐方案)。将导流洞消力池原设计尾坎上移5.0m。该方案设计水位时,跃首位于池首8.2m,跃末位于池首下19.6m,水跃完整,水流基本稳定,水面波动相对较小,作为推荐方案设计工况流态见图5。各个工况水跃跃首位置见表1,所有工况均避免了远驱水跃,跃首均在池首上游的顺坡上,呈现折坡消力池流态[10]。

图5 尾坎上移5.0m时设计工况形成的水跃(单位:mm)

表1 推荐方案跃首位置、水跃尾部水面高程及渐变段始端的水面高程

上述试验说明,控制尾坎位置可以解决远驱水跃问题,3组试验尾坎位置不同,但都避免了远驱水跃,跃首也都在消力池上游的坡上,这样能够以较短的消力池达到消能的目的。另外,尾坎的位置对水跃有较大的影响,L过大水跃流态不良,而L过小不能起到控制远驱水跃的作用,对于本工程L取5.0m满足要求,既能避免远驱水跃,又能形成良好的水跃形态。这种措施不仅解决了消能问题,也无副作用,不仅没有增加工程量,还稍减少了工程量,可以作为解决消力池问题的首选措施。

2.3 试验结果分析

推荐方案水跃后水面线为降水曲线(图5),设计工况水跃尾部水面高程高达3268.80m,而渐变段始端的水面高程只有3266.80m,可见由于尾坎往上游移动5.0m,使得跃后水深增加2.0m,从而避免了远驱水跃。各种工况的水跃尾部水面高程及渐变段始端的水面高程见表1,可见水跃尾部水面高程均高于渐变段始端水面高程,跃后水深均提高,均避免了远驱水跃,使流态满足工程要求。

消力池下游的扩散渐变段固然是为了与退水渠衔接,但它的存在也降低了水面高程,导致产生远驱水跃,将尾坎上移,实际上就是避免渐变段降低跃后水深,以此避免远驱水跃。

3 消能效果分析

表2列出了推荐方案各工况的跃首、跃尾流速及消能率,可见消能情况良好,与跃首流速比较,跃尾流速大幅降低,流速值均在 2.5 m/s以下,闸门局部开启时的跃尾流速更低,不足1.70m/s。至于消能率,全都超过50%,闸门局部开启的消能率很高,大于75%。闸门局部开启的消能情况远胜于闸门全开,原因是闸门局部开启的水跃首部弗劳德数高得多,正常水位下,工作闸门1/2开度、1/4开度的水跃首部弗劳德数高达7.3和11.0。