新疆某水电站溢洪道台阶段水工模型试验研究

张鲁鲁

(水利部新疆维水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐　830000)



新疆某水电站溢洪道台阶段水工模型试验研究

张鲁鲁

(水利部新疆维水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐830000)

摘要：通过建立溢洪道物理模型，在台阶坡度恒定条件下，试验采用0.65、1.0和1.3 m三种台阶高度，研究不同水位下的消能效率、掺气状况及水流流态，研究表明：同一台阶消能率与单宽流量成反比，单宽流量越大，消能效果越差；对不同台阶高度，台阶高度越高，消能率也越大。增加掺气坎，可使水流充分掺气，水流流态良好，可保证台阶面安全可靠运行。

关键词：水工模型；溢洪道；台阶消能；掺气坎

0前言

溢洪道是泄水建筑物的重要组成部分，其体型的合理性直接关系到泄流能力、水流流态及工程造价。台阶溢洪道是目前较好的形式之一[1]。台阶溢洪道适用于单宽流量较小的情况，一般不超过60 m3/(s.m)-1。台阶式溢洪道主要利用台阶上水流所形成的横向旋滚及其与主流之间的剪切和动量交换来达到消能的目的[2]。艾克明、花力峰研究表明[3-4]：台阶消能是利用表面的台阶状，将整个台阶段落差分为若干个小跌水，当水流沿台阶下泄时，在台阶表面形成一个个漩涡，从而促使水流流态紊乱，使水流沿跌水逐级掺气，从而达到减速消能的效果。曾东洋[5]通过模型试验得出，影响台阶式溢洪道消能率的因素主要是台阶的总高度、坡度和上游来流量。卞全认为[6-7]在台阶式溢洪道中，单宽流量越大，相应的掺气量也越大。张志昌研究结果表明[8]：影响台阶式溢洪道消能效果的主要因素是台阶的高度、坡度和上游下泄流量。为合理地确定较优化的溢洪道台阶体型，本文通过台阶段物理模型，研究不同水位条件下的台阶高度及消能效率，提出经济合理的台阶面参数，为今后相似溢洪道设计提供参考。

1工程概况

新疆某水电站工程溢洪道由明渠段、控制段、洞身泄槽段、台阶段、消力池段、出口明渠段组成。溢洪道设计水位下泄流量760.36 m3/s, 校核洪水位下泄流量869.86 m3/s。控制段采用WES实用堰型,堰宽12 m,堰顶高程1 296.50 m,采用开敞式进水口。由于现代河床右岸发育Ⅱ级基座阶地,考虑到泄洪建筑物出口高程相对较低且距离现代河床较远,泄水建筑物消能型式选择底流消能方式。台阶段长98 m，底宽16 m，槽深4～5 m，底板坡度1∶1.65，台阶末端接消力池，池内设辅助消能工，溢洪道台阶段纵断面见图1。

图1　溢洪道台阶段纵断面图　　　单位：mm

2模型设计与制作优化

溢洪道水工模型按照弗汝德重力相似准则进行设计，并考虑阻力相似，采用整体正态模型，溢洪道模型几何比尺为1∶35。溢洪道模型全部采用有机玻璃制作，模型糙率为0.007 7～0.008 8，换算成设计原型糙率为0.014～0.016，接近混凝土糙率。模型设计中相关物理量的比尺见表1。

表1　模型的主要尺寸关系表

3台阶高度的选择

台阶高度的选择直接关系到台阶消能的效果及工程运行的可靠性，为寻找相对合理的台阶高度，更好地了解台阶面消能的变化规律，在工程运行可靠的前提下，充分考虑经济合理性、体型施工方便性和实用性等因素，参考了部分已建工程台阶面的主要参数，见表2。

根据已建工程台阶面参数，本文模型在台阶面坡度1∶1.65不变的前提下，选择0.65、1.0和1.3 m三个不同高度的台阶面进行消能率试验研究。

表2　已建工程台阶面参数表

4台阶掺气试验

台阶面流态较为复杂，有的研究者建议[6-9]：为保证设计的台阶式溢流坝有较高的消能率，确定掺气发生点，对台阶式溢洪道的水力设计有相当重要的意义。在设计水位下，进行了无掺气坎台阶面流试验，试验结果表面：在台阶上游区段，约有台阶全长的1/2范围内掺气不明显，水体呈现透明状态，这说明掺气没有发展到水流表面。鉴于高速水流通过台阶的突出点时，有可能出现负压，从而引起空化空蚀破坏，为了保证台阶面的正常安全运行，需考虑台阶面的掺气问题。

试验将掺气坎位置设置在溢洪道抛物线末端处，为不减小台阶面的消能效果，坎高不宜太高，否则水舌空腔过长，会使空腔范围的台阶不能起到消能作用，为使水舌掺气充分，试验将挑坎高度降低至17.5 cm，坡比1∶18，见图1。在校核水位1 306.00 m时，掺气坎处水舌底部最近落点在3号台阶，台阶面的掺气相当充分，在6、7号台阶面上乳白色掺气水流厚度基本接近总水深的1/2。到13号台阶处，其掺气基本达到水流表面。通过不同水位试验研究：掺气情况会随着挑坎处单宽流量的减小而变的更加充分，流态良好，通气孔通气畅通、空腔稳定。因此，设置掺气坎可使水流充分掺气，避免出现负压引起的空化空蚀破坏，保证台阶面安全可靠运行。不同水位下掺气坎的总掺气量见表3。

表3　不同水位下掺气坎总掺气量表

5台阶消能率的成果分析

模型试验在校核水位、设计水位、低库水位等4个水位条件下，采用0.65、1.0、1.3 m三种台阶高度进行试验。图1中1-1、2-2断面的位能Z1、Z2始终恒定，Z1为50.7 m、Z2为16.7 m ，因此对1-1、2-2断面处的水深、流速进行了测定，见表4。

表4　台阶段1-1、2-2断面消能计算表

根据表4成果显示：在台阶面坡度1∶1.65不变的条件下，同台阶高度，台阶消能率与下泄单宽流量成反比，下泄单宽流量越大，台阶消能效果越差，反之，下泄单宽流量越小，台阶消能效果越好；在同一水位条件下，台阶高度越高、消能效果越好，1.3 m台阶效果最好，可达到50%～63%；1.0 m台阶效果次之，可达到42%～63%；0.65 m台阶消能效果可达到39.1%～59.78%。从消能效果来看，1.0 m与1.3 m台阶效果很接近。根据工程实际条件及经济合理、便于施工、可靠实用等方面因素，该工程台阶高度采用1.0 m进行设计。

6结语

本文通过对溢洪道台阶段模型试验研究分析得出以下主要结论：

(1) 不同高度的台阶，台阶高度越大，消能效果越好，但台阶尺寸太大，会引起流态变差，反之亦然；工程中应选择流态较好、消能率较高的台阶尺寸；对相同高度台阶，不同水位条件下，下泄单宽流量越小，消能效果越好。

(2) 通过增加掺气坎，可使水流充分掺气，有助于避免空化空蚀破坏, 保证台阶面安全可靠运行。

参考文献:

[1]葛旭峰,鲁克恩.小石峡水电站表孔溢洪道模型试验研究[J].南水北调与水利科技,2010,(10): 61-64.

[2]陈群.阶梯式溢流坝紊流数值模拟及实验研究[D].成都：四川大学博士学位论文,2001.

[3]艾克明.台阶式泄槽溢洪道的应用状况浅析[C]//泄洪工程与高速水流论文集.长春:吉林科学技术出版社, 2000.

[4]花立峰,南晓红.河岸式溢洪道体型布置分析与优化研究[J].水利与建筑工程学报, 2003,1(1): 22-25.

[5]曾东洋.台阶式溢洪道水力特性的试验研究[D].西安:西安理工大学,2002.

[6]卞全.台阶式溢洪道的设计部分[J].国际水力发电,2005，(4):37-39 .

[7]张志昌,曾东洋,刘亚菲.台阶式溢洪道滑行水流水面线和消能效果的试验研究[J].应用力学学报,2005,22 (1):30-35.

[8]汝树勋,唐朝阳,梁川.曲线型阶梯溢流坝坝面掺气发生点位置的确定[J].长江科学院院报,1996,13，(2):7-16.

[9]骄迎养.台阶式溢洪道强迫掺气水流水力特性的试验研究[D].西安:西安理大学,2007.

Study on Hydraulic Model Tests on Step Section of Spillway

ZHANG Lulu

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000,China)

Abstract:Through the spillway model establishment, the energy dissipation efficiency, aeration and flow pattern by steps with height of 0.65 m, 1.0 m and 1.3 m respectively are studied at different water level and in condition of the fixed step slope. The study presents that the energy dissipation efficiency of the same step is inversely proportional with the discharge per unit width. The higher the discharge per unit width is, the weak the energy dissipation efficiency is. Regarding the different step height, the higher the step is, the higher the energy dissipation efficiency is. With increase of the aeration sills, the flow is aerated fully, the flow pattern is excellent, which can secure the safe and reliable operation of the step surface.

Key words:hydraulic model; spillway; energy dissipation by step; aeration sill

中图分类号：TV32+1

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.021

作者简介：张鲁鲁(1984- )，男，新疆库尔勒人，硕士研究生，工程师，主要从事水工建筑物设计研究工作.

收稿日期：2015-09-01

文章编号：1006—2610(2016)01—0080—03