阿拉沟水库溢洪道挑流体型结构优化试验研究

木克然·阿娃,侯 杰,卡地尔江·米吉提,何照青,马明祥

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2.新疆水利水电学校,新疆 乌鲁木齐 830013;3.新疆水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

阿拉沟水库工程位于新疆维吾尔自治区托克逊县境内,是阿拉沟河及托克逊县“两河”流域的重要控制性工程,坝址距阿拉沟出山口以上3.5 km,距托克逊县75 km[1]。

阿拉沟水库主要建筑物有主坝,溢洪道,泄洪洞三部分。水库总库容 4450万m3,拦河坝坝高105.26 m,兴利库容3050万m3,死库容 850万m3,为Ⅲ等中型水利工程。水库正常蓄水位944.5 m,对应库容3900万m3,设计洪水位944.6 m,校核洪水位947.8 m。阿拉沟水库溢洪道位于右岸,为岸边开敞式正槽溢洪道,全长241 m,溢洪道洪水标准为100年一遇设计(P=1%),相应泄洪流量试验值为565.09 m3/s,2000年一遇校核(P=0.05%),相应泄洪流量试验值为1114.56 m3/s。

阿拉沟河洪水流量较大,汇流迅速、陡涨陡落,泄洪单宽流量较大,消能防冲问题较突出[2-3]。由于地形条件限制,溢洪道挑流鼻坎距离坝坡脚较近,右岸山体较为陡峭,为验证溢洪道的水力特性及其消能防冲设施的合理性,以及泄洪对枢纽各建筑物和岸坡的影响,因此必须对溢洪道挑流坎工程展开模型试验研究。深入观测选定挑流坎的水流特性及抛射情况和对下游河道及周围建筑物可能造成的影响,尽量减小对下游的冲刷[4-6]。

2 原设计方案试验

2.1 原工程设计方案

阿拉沟水库溢洪道由进水渠、控制段、泄槽和消能防冲设施四部分组成,全长241 m。进水渠为一矩形平底宽渠道,长度为14.3 m,宽度28 m。控制段中溢流堰采用“WES”实用堰,堰高2.25 m,净宽24 m,利用3扇8 m×5.5 m(宽×高)的弧型闸门控制,控制段长度为16 m。泄槽采用矩形断面,总长度205.7 m,槽宽由28 m渐变至20 m,侧墙高度为5.5 m。泄槽末端接15 m长的挑流消能段,挑流消能采用的结构是挑流鼻坎,挑流鼻坎半径30 m,挑角为15°[7],校核流量最大挑距 110.64 m,出坎流速32.7 m/s,冲刷坑深度34.6 m,冲刷坑后坡 i=0.313。

试验测定了不同库水位时溢洪道的不同参数,本文主要讨论校核洪水位情况下的试验研究,在论文末端为了更好理解试验最后得到的结果给出一部分正常蓄水位的研究内容。模型按照重力相似准则设计,其模型几何比尺 λL=50,相应其它比尺如表1所示。

表1 模型比尺

溢洪道模型总长13.8 m。模型布置如图1。原设计挑流鼻坎模型如图2所示。

图1 阿拉沟水库溢洪道模型布置图

图2 原设计模型挑流鼻坎

2.2 原设计方案试验

由于溢洪道轴线与坝轴线在平面上构成76.48°转角,加之闸室上游引渠右侧半径为155 m的圆弧边墙连接,形成了具有弯道特征的边界条件,使闸前水流形成弯道水流的特征,闸前水流流态比较紊乱。在闸室左边墙处,水流在此急速转向,形成范围较大的水流漩涡,使此处的水位最低,继而水位沿横向逐渐升高,使水流产生不均匀的横向比降。

下泄水流过堰后,首先在两闸墩后形成墩后漩涡,继而向下形成墩后的菱形波,其波长较短,波高较高。下泄水流经过泄槽渐变段的收缩,在泄槽渐变段后再次形成菱形波,并与闸墩后的菱形波叠加,水流流态紊乱,其波长增长,波高较高。下泄水流经过泄槽段的调整,菱形波沿程逐渐消弱,直至消能段。

由于溢洪道挑流鼻坎以下为拟人工开挖山体形成的海漫平台,下泄水流在挑流鼻坎的作用下形成的挑流水舌,其左端落入海漫平台末端以下的河床,而挑流水舌右端则落在海漫平台上后被再次挑起而落入下游河床,如图3所示。随着溢洪道下泄流量的变大,落在拟人工开挖山体海漫平台上的水舌长度增大,冲刷海漫平台,溅起大量水花,将产生浓重的水雾。

对于下游河道的冲刷问题,试验测得,校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距(挑流鼻坎末端离水舌内缘线距离)为75.0 m,末端挑距(挑流鼻坎离水舌外缘线距离)为148.0 m,溢洪道挑流在下游河道的冲刷坑深度为19.4 m,最深点离挑坎末端距离为112.0 m。挑流冲刷坑地形如图4所示。

图4 原设计方案校核洪水位挑流冲刷地形图

针对原设计挑流水舌末端挑距较大,落海漫平台后所带来的冲刷和雾化等问题,有必要对溢洪道的挑流体型进行优化试验研究。

3 挑流体型结构优化试验

3.1 挑流体型初步的优化

由于溢洪道段的地形和地质条件所限,溢洪道的轴线不能变动,因此,仅能对溢洪道末端的挑流体型结构进行修改和优化,试图将溢洪道末端挑流段右边直墙修改半径为91.6 m的圆弧墙,使挑流水舌避开海漫平台,左边墙保持原形不变。如图5所示(高程尺寸m,长度尺寸mm,图6、图7同)。

图5 初步优化后挑流体型结构图

通过初步的优化,水舌经过挑流鼻坎后,左侧一部水直接跳进下游河床,右侧一部水受右侧圆弧边墙的影响往左旋转一个角度并与水舌左侧部分水相互混淆,使减少水舌能量,并落在海漫平台上被再次挑起而落入下游河床,水流雾化仍然比较严重。校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距为73.0 m,末端挑距为140.0 m,溢洪道挑流在下游河道的冲刷坑深度为18.5 m,最深点离挑坎末端距离为108.0 m,远远达不到通过试验所解决的问题。需要进一步的优化。

3.2 挑流鼻坎进一步的优化

在初步优化结构基础上,延长挑流反弧段一扇形圆弧面,扇形角为35°;反弧段右边墙为半径91.6 m的圆弧面边墙,末端边墙墙高9 m,起始端边墙高与原设计方案相同。如图6所示。

图6 进一步优化后挑流体型结构图

通过本次优化,从实验中得出,水流经过挑流鼻坎后,水舌左侧直接挑进河床内,而水舌右侧部分水在圆弧墙的作用下向左明显的转一个角度推左侧部分水流并沿海漫平台左岸落入河床,同样产生水雾。校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距为68.0 m,末端挑距为131.0 m,溢洪道挑流在下游河道的冲刷坑深度为18.9 m,最深点离挑坎末端距离为104.0 m,试验虽然有所改善但还没能达到水舌完全避开海漫平台的目的。结构体型需要再次的优化。

3.3 挑流鼻坎最后优化

经反复修改试验确定了挑流段体型的结构形式:在反弧段与右边墙墙根设置一三角形扭曲面。三角形扭曲面挨边墙的长度为20 m,挨底部挑流鼻坎的长度19 m,末端长度4 m;反弧段左边墙不变。

优化后挑流体型结构如图7、图8所示。

图7 优化后挑流体型结构图

由于溢洪道的进水渠段、控制段和泄槽段的结构没有改变,因此,通过其间的水流流态亦无变化。当下泄水流通过结构优化后的异形挑流鼻坎时,其水流流态发生了很大的改变。下泄水流在反弧底板、右圆弧面边墙和三角形扭曲面边界约束下,先向右沿三角形扭曲面迅速爬高后再向左旋转,形成纵曲轴逆时针旋转的挑流水舌,避开了拟人工开挖山体形成的海漫平台而落入海漫平台左侧河道中,如图9所示。

图8 优化后挑流体型模型

图9 优化后挑流水流流态

试验测得正常蓄水位和校核洪水位时异型挑流鼻坎的挑流水舌形态如图10、图11所示,在校核洪水位时水舌最高点跟挑坎末端高差29.5 m,正常蓄水位时水舌最高点跟挑坎末端高差为17 m。

图10 挑流体型优化后正常蓄水位挑流水舌形状图

对于冲刷坑试验测得校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距为65.0 m,末端挑距为120.0 m,溢洪道挑流在下游河道的冲刷坑深度为20.85 m,最深点距离跳坎末端距离为106.40m。正常蓄水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距为51.0 m,末端挑距为95.0 m,溢洪道挑流在下游河道的冲刷坑深度为19.10 m,最深点离跳坎末端距离为97.06 m。挑流冲刷坑地形如图12所示。

图11 挑流体型优化后校核洪水位挑流水舌形状图

图12 修改设计方案校核洪水位挑流冲刷地形图

优化后溢洪道异型挑流鼻坎挑流水舌特性如表2所示。

表2 修改后溢洪道挑流鼻坎水流特性

试验测得挑流鼻坎的起挑流量为158.63 m3/s,此时挑流水舌跌落在海漫平台上;当下泄流量达到512.02 m3/s时挑流水舌跌落在海漫左侧河床上;当下泄流量在158.63 m3/s～512.02 m3/s时,其中大部分水舌跌落在海漫左侧的河床上,另小部分水舌跌落在海漫平台上,下泄流量越大,则水舌落在海漫平台上的越少;小于起挑流量158.63 m3/s时,水流沿挑坎末端左侧岩面贴壁而下,对此处岩面及其下河床造成一定的冲刷[8-10]。

4 结 语

本文对新疆托克逊县阿拉沟水库溢洪道进行水力模型试验研究,修改方案采用异型挑流鼻坎后,在反弧底板、右圆弧面边墙和三角形扭曲面边界约束下,下泄水流在离心力的作用下,先向右沿三角形扭曲面迅速爬高后再向左旋转,形成纵曲轴逆时针旋转的水舌,避开了拟人工开挖的海漫平台而落入左侧河道中,避免了挑射水流直接冲刷海漫平台的不利情况,同时也大大地减少了不必要的拟人工开挖的海漫平台的山体开挖工程量,达到了挑流体型结构优化预期的目的。

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