水电站溢洪道中墩尾部水翅消减方案试验研究

沈　鑫

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司， 合肥 安徽 230088)

水电站溢洪道中墩尾部水翅消减方案试验研究

沈鑫

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司， 合肥 安徽 230088)

摘要：水电站溢洪道中墩尾部水翅现象十分普遍且危害严重，是水利工程中研究的重点课题。为优化溢洪道中墩尾部水流形态，减小水流冲击波，采用理论分析的方法，设计了变宽度斜尾墩，并采用物理模型的形式对变宽度斜尾墩以及传统尾墩形式进行了试验研究。从试验结果来看：水翅规模最大的是无尾墩方案，椭圆形和尖圆形方案能在一定程度上改善水流结构；但水翅规模消减程度有限；而变宽度斜尾墩能有效的分散水流对冲点，改善水流结构，显著的减小水翅规模，改善流态。

关键词：溢洪道；中墩尾部；水翅现象；水流冲击波

在水电站溢洪道中，常常因为分隔闸孔的需要而设置隔离中墩[1]。然而，由于中墩外侧边界的引导，使得被分隔的水流在中墩尾部交汇对冲，产生激烈的对流冲击波[2-4]，扰乱的水流产生涡旋，振动挡墙并形成水翅。水翅初生地水流对冲、震荡，冲击两侧边壁，并引起水流扰动紊乱，导致下泄水流流态恶劣[5]，同时对冲水流激起大量水雾，容易干扰相关的电气设备，严重影响溢洪道正常稳定运行[6-9]。据资料统计，如三山水库水电站、天生桥水电站、老渡口水电站等水利设施就有明显的水翅现象，给水电站建筑物带来了巨大的危害。

水流运动本身就是一种复杂的自然现象[10]，水翅现象则更加复杂，难以模拟。至今仍没有任何软件可以模拟计算[11-12]。因此，本文考虑以重庆市后溪河白庙子水电站为研究对象，通过理论分析，并结合几何比尺相等的正态物理模型进行模拟试验，详细探讨水电站溢洪道中墩尾部水翅消减方案。

1工程概况

研究示例水电站位于重庆市巴东县罗坪镇竹贤乡境内的后溪河，上离大昌镇30.22 km，下距庙堂乡16.65 km。后溪河是大宁河的二级支流，多年平均径流量(1985年—2013年，下同)为75.52 m3/s,多年年均径流量为23.81 m3，白庙子水库正常蓄水位为546.50 m，设计下泄洪水流量(P=1%)为1 070.22 m3/s，校核下泄洪水流量(P=0.05%)为1 690.38 m3/s,白庙子水电站溢洪道平面布置图见图1。

图1白庙子水电站溢洪道平面布置图

2模型比尺与模型设计

2.1　模型比尺

考虑到模型试验精度与模型适应性，本模型试验采用几何比尺相等的正态模型，参考《河工模型测量》[13]中的计算方法，将各类主要比尺计算结果列于表1。

表1　模型比尺

2.2　模型设计

模型试验在河海大学水利学院实验室进行，为更好的观察中墩附近的水流结构，以及水流对边壁的影响，溢洪道控制段与收缩段模型外部采用透明的塑胶板制作，模型设计如图2所示。

图2模型结构示意图

3方案设计

本试验在设计流量Q=1 228.4 m3/s的工况下，先按照传统无尾墩、半圆形尾墩、尖圆形尾墩进行放水试验，然后结合试验情况，设计新型的变宽度斜尾墩方案进行放水试验，最后比较各方案试验结果，选择本文推荐方案。

3.1　无尾墩方案

本方案不设置尾墩引流型式，只通过中墩进行泄流。本方案的优点是无尾墩工程，造价较省，但是该方案在中墩尾部无引流设施，水流对冲激烈，流态最为恶劣。一般仅适用于淹没度h0/H0≥0.75 的中小型水电站。从本试验结果来看，无尾墩方案的实际流态也最为恶劣。因此，本文将无尾墩方案作为效果对比的基本方案。

3.2　半圆形尾墩方案

采用半圆形尾墩与中墩连接。尾墩半径取中墩宽度值，即为4 m，尾墩高度与中墩同高(6 m)，半圆形圆心与尾墩尾部断面中点连接。半圆形尾墩方案布置图见图3。

图3半圆形尾墩(单位：m)

3.3　尖圆形尾墩方案

考虑通过增大尾墩收缩度来进一步归顺、引导水流。将尾墩形态由半圆形改为尖圆形，在水工建筑物允许范围内，取最大收缩度，经过换算可得尖圆形长轴为短轴的1.71倍，由于其短轴为中墩宽度，即4 m，半长轴即为3.42 m，尖圆形尾墩对称中心与尾墩尾部断面中点重合，高度与中墩同高。尖圆形尾墩方案布置图见图4。

图4尖圆形尾墩(单位：m)

3.4　变宽度斜尾墩方案

如果流场外区的流动有沿程压强梯度或有正负加速度，则边界层会受影响，还可能发生边界层与边壁的脱离，从而改变外区势流的流动图形，产生包括水翅在内的各种流动现象。假设在中墩两侧边界处，水流沿程减速大小可表示为[14]：

U=Cxm

(1)

式中：x为为溢洪道中轴线距离，一般以中墩进口断面中点开始，C、m均为待定系数，根据实际流场条件进行多元系数回归求解。

由于受边界阻碍影响，水流不可能做加速运动，因此m肯定小于0，对于这种边界减速流场，Falkner做了细致的研究，采用η、ψ两个水流参数对式(1)进行变化，得到转换表达式：

(2)

ψ=(vUx)1/2f(η)

(3)

式中：v为水流瞬时流速；y为边界点在溢洪道横轴坐标；f(η)为湍流表达式，由实际模型的糙率、不平整度等因素决定。

要使水流沿程减速效果达到最大，因此令dU/dx=0，代入式(2)与式(3)，联立求解，可得到尾墩沿程厚度的表达式

(4)

令尾墩竖向边界线函数表达式为

F(x)=ax3+bx2+cx+d

(5)

式中：a、b、c、d为待定系数。

要保证尾墩流线曲线光滑，因此要保证在取值范围内，dF(x)/dx=0，将式(5)代入式(2)与式(3)，可得到尾墩竖向边界函数曲线表达式。

根据式(4)与式(5)的计算结果，尾墩宽度变化分为两部分：第一段为水冠部分，长度为1.73 m，尾墩宽度由4.0 m收缩到0.6 m，收缩角为45°；第二段为水流冲击波部分，长度为8 m，宽度为0.6 m，并保持不变。尾墩竖向边界线函数计算结果为直线函数(a=b=0，c=0.3055)，因此易求得尾墩坡脚为17°，尾墩高度(中墩尾部断面)为3 m。此方案考虑利用尾墩宽度的变化来分散中墩两侧水流交汇点的位置，使水流沿着墩子斜顶面拉开，并通过尾墩的变化，使由底到水面水流汇交后水冠被上面水体压住，抑制水冠的形成。变宽度斜尾墩布置示意图见图5。

图5变宽度斜尾墩(单位：m)

4试验结果分析

在设计流量Q=1 228.4 m3/s的工况下，对各尾墩方案进行放水试验，各方案流态对比图见图6，试验统计结果见表2。

表2　各尾墩方案试验结果对比　单位：m

图6各尾墩方案流态对比图

由表2和图6可以看出：

(1) 在中墩两边壁处，各尾墩方案都有不同程度的壅水，其中，椭圆形尾墩方案壅水现象最为明显，最大壅水水位至538.00 m，从中墩两侧水头差来看，差距最明显的是无尾墩和半圆形尾墩，而椭圆形尾墩和变宽度斜尾墩的两岸水位差值则较小，在闸室内的水面横流也较少。

(2) 从水翅规模来看，无尾墩、半圆形尾墩与椭圆形尾墩的效果都较差，水流对冲严重，冲击波规模大，而变宽度斜尾墩有效引导水流从尾墩顶面拉开，分散水流交汇点位置，有效减少两侧水流对冲强度，该方案在同等条件下的水翅顶部高程、水翅高度与长度都明显小于其他几个方案，水翅现象程度最低，流态明显改善。

(3) 中墩尾部两侧水流的对冲，产生激烈的水流冲击波，振动周边挡水建筑物，导致水流紊乱，严重干扰水流下泄。从交汇处水流流态来看，无尾墩方案水流流态最为恶劣，半圆形和椭圆形尾墩对水流有一定程度的引导，流态有所改善，下游弯道处入口两侧水位差有所降低，但改善程度并不明显。变宽度斜尾墩方案下，溢洪道收缩度水流对冲明显减弱，流态紊乱度降低，这点从下游弯道处入口两侧水位差值明显降低也可看出。

因此本文推荐使用变宽度斜尾墩作为最优方案。

5结论

本文先通过理论分析，设计了变宽度斜尾墩模型，采用物理模型的方法，分析对比了该尾墩方案与传统各尾墩方案的优劣性，从试验结果来看，半圆形尾墩与椭圆形尾墩相比于无尾墩方案，在水翅规模和水流流态上游一定程度的改善，而采用变宽度斜尾墩方案后，水翅顶部高程、水翅长度和高度都有明显的下降，水流流态改善明显，因此本文推荐变宽度斜尾墩作为最优方案，本文研究成果可为同类工程提供参考。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.040

收稿日期：2015-03-11修稿日期：2015-04-27

作者简介：沈鑫(1975—)，男，安徽合肥人，硕士，高级工程师，主要从事水利工程方面设计工作。E-mail:287109894@qq.com

中图分类号：TV135.2

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2015)04—0201—04

Experimental Study on the Reduction Scheme of Water Wing Phenomenon at the Pier Tails in Hydropower Station Spillways

SHEN Xin

(AnhuiTransportConsulting&DesignInstituteCo.,Ltd.,Hefei,Anhui230088,China)

Abstract：As one of the key issues of hydraulic engineering research, the water wing phenomenon at the pier tails in hydropower station spillways is widespread and harmful to the structures. In order to optimize the flow pattern at the pier tails in the spillways and reduce water shock waves, variable width inclined tail piers were designed by using the method of theoretical analysis, followed by the model test of the designed piers and conventional tail piers. According to the test results, the largest water wing occurs when there is no tail pier in the spillway, oval and round piers can improve the flow structure to a certain extent, but the deduction of water wing scale is limited,while the variable width inclined tail piers can effectively disperse flow hedging points, improve the structure of the flow, and significantly reduce water wing scale, therefore improve the flow pattern.

Keywords:spillway; pier tail; water wing phenomenon; water shock waves