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异形宽尾墩挑流消能断面模型试验研究

2013-04-16

中国水能及电气化 2013年4期
关键词:平尾异形模型试验

王 锦 罗 毅 黄 伟

(1.辽宁省水利水电勘测设计研究院,辽宁沈阳 110006;2.大连理工大学建设工程学部,辽宁大连 116023)

1 概述

1.1 工程概况

锦凌水库工程位于小凌河干流上,是以防洪和供水为主,兼顾改善地下水环境的大型水利枢纽工程,坝址以上控制流域面积3029km2,水库工程规模为大(2)型。水库工程等别为II等,主要枢纽建筑物级别为2级。水库按500年一遇洪水设计、5000年一遇洪水校核,总库容8.21亿m3,多年平均可供城市生活和工业水量23.2万t/d。溢流坝段长度176.5m;堰顶高程51.30m,分10孔,每孔净宽15.0m,闸墩厚度2.5m,采用堰体分缝,每个坝段长17.5m,为开敞式溢流坝。校核洪水位63.78m,相应下泄流量15506m3/s,下游水位37.00m。流域内交通发达,下游有重要的铁路、公路交通枢纽。

1.2 异形宽尾墩与挑流联合消能机理

宽尾墩是以射流纵向扩散为基础的收缩式消能工,坝面水流经过收缩边壁时表面形成驻波,使坝面法向上各质点的流速具有不同的倾角,导致射流的纵向扩散。所谓异形宽尾墩就是把宽尾的起点设置在坝面反弧段的起点附近,宽尾墩的底面与溢流堰面平行,如图1所示。水流在异形宽尾墩底缘高程以上的水流受到宽尾墩的制约,大部分水体形成左、右两股基本对称的靠近闸墩中心线的、挑角大于鼻坎挑角的高抛挑射水流,下部未受约束的水流与平尾墩一样,形成较大流速并以大体与鼻坎相同的挑角挑射的流股,这样,上、下三股水流相互制约、相互作用,一起前进,进一步消减动能,并把射流的入水总能量分布在更广的范围内,从而实现异形宽尾墩与挑流的联合消能[1]。

图1 异形宽尾墩立体视图

1.3 研究内容

该工程消能防冲是需要解决的首要问题。宽尾墩体型在工程设计中是一个重要的参数,墩型的选择直接影响到水流流态、坝面和宽尾墩墩体压力以及消能效果等,较为常见的有X型和Y型宽尾墩,而异形宽尾墩在实际工程中应用较少,其设计理论和实际工程经验都不很成熟,下泄水流经过异形宽尾墩作用后流态难以把握,且由挑坎挑射出去的水流冲击下游水垫塘并形成冲坑的机理很复杂,因此需进行水工模型试验研究[2]。

主要研究内容为:验证消能工的消能效果,观测消能工的流态,观测下泄流量对下游河床的冲刷以及对其他建筑物的影响等,根据消能效果选出最佳的宽尾墩形态。

2 模型试验与结果比较

2.1 模型试验概况

模型设计遵循重力相似准则,采用正态模型,模型试验的长度比尺为1/50。为了使水流运动条件相似,溢流坝段模型包括一个整孔和两个半孔。动床断面模型试验根据基岩的抗冲能力,采用原型基岩的允许流速换算成模型流速后作为起动流速的方法,来选择模型冲料粒径,经模型试验与工程实例验证,模型冲料粒径采用公式v=MD1/2计算 (M取值5~7,本文取M值为5)。

模型试验时选择了平尾墩、宽尾墩及九种异形宽尾墩进行研究,采用平尾墩挑流消能的冲坑太深(t平=19.5m),采用宽尾墩的试验效果也不理想,因此采用异形宽尾墩与挑流联合消能。由平尾墩试验可知,平尾墩出口处未扰动水深h=7.5m,根据经验取异形宽尾墩S/h=0.2,h=1.5m,具体的墩形与几何参数见表1,几个代表性的异形宽尾墩的示意图 (1号,3号,5号,9号)见图2。

表1 异形宽尾墩几何参数

图2 典型方案异形宽尾墩的墩型示意图

2.2 模型试验结果比较

2.2.1 冲刷坑的特征比较

在校核水位下对各墩型进行了冲刷对比试验,冲刷约2.5h后冲坑趋于稳定,各异形宽尾墩最大冲坑深度t与平尾墩相应值的比值见表2,异形宽尾墩的冲坑深度和冲坑断面远小于平尾墩的相应值。显然,比值和β有关,β愈小,宽尾墩引起的水流附加消能越大、冲坑减小。

表2 冲刷坑的特征比较

2.2.2 试验结果分析

1号和2号墩型基本未改变冲刷效果,3号墩型是在2号墩型的基础上,由试验实际测得的水面线为依据,将顶面切成一斜面,宽尾墩末端高7m,上游端高出末端1.5m,让部分水流由宽尾墩的顶面流过,类似Y型宽尾墩的上半部型式,收缩比仍保持0.6,但是试验结果表明这种型式并未改善冲刷效果。4号、5号和6号墩型是将原平尾墩延伸至挑流鼻坎处,使得每一孔表孔各自泄流,并改变异形宽尾墩的收缩比,由于相邻孔口之间水股没有了相互碰撞和紊动消能,试验结果同样未能达到令人满意的结果,但是当收缩比达到0.45时,冲刷坑深度有所减少。由于斜面顶部过水并未收到很好的消能效果,延伸平尾墩至鼻坎对冲坑深度也没有太大的影响,于是7号墩型和8号墩型恢复到平顶的型式,末端高仍为7m,不再延长平尾墩,只是改变了收缩比,当收缩比达到0.4的时候,冲刷坑明显变浅,但是试验时观察到,宽尾墩顶部过流的那部分水流并没有与收缩段竖向拉伸的水流充分撞击消能,于是采用9号墩型时把宽尾墩加高至13.5m,使宽尾墩顶部不过水,试验所得的冲刷坑深度比平尾墩时减少了6.1m,只有原来的68.7%,消能效果较好,作为推荐方案。

2.2.3 堰面及异形宽尾墩上的压强分布

沿堰面曲线共布置压强测点20个,在各工况下均未出现负压情况,与平尾墩相比,异形宽尾墩的压强要大,改变了平尾墩时出现负压的情况,压强分布近似于静水压强分布。异形宽尾墩迎水面布置的8个测点底部布置的3个测点,也均未出现负压,按常规估计堰面及宽尾墩体产生空化现象的可能性较小。

3 结语

本次模型试验论证了异形宽尾墩挑流运用于该工程的消能防冲作用,同时通过改变收缩比、末端高度等对九种不同墩型的异形宽尾墩进行了分析比较,试验中通过观察出闸水流在反弧段和挑出水流在空中的流态,并分析比较试验中动床冲刷数据,确定了本试验的消能防冲最优方案,冲刷深度由原来的19.5m降至13.4m,降幅达到31.3%,并结合实际情况,提出了此设计方案下的宽尾墩具体体型和尺寸。本次试验的研究成果对于中高坝、大单宽流量泄洪消能防冲设计具有一定的借鉴意义。

[1]倪汉根,王庆国,等.白石水库的异形宽尾墩挑流消能[J],水力学报,2000(8).

[2]王均星,杜泽金,陈规划.龙开口水电站宽尾墩挑流消能断面模型试验[J],武汉大学学报(工学版),2010(1).

[3]林珍喜,郑洪,等.宽尾墩在福建龙湘水电站挑流消能中的作用研究[J],湖南水利水电,2008(4).

[4]倪汉根.高效消能工[M].大连:大连理工大学出版社,2000:324-334.

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