大坳拦河闸闸后消力池连接段预警曲线的建立和应用

周孝平

(广州市流溪河灌区总管理处,广东 广州 510900)



大坳拦河闸闸后消力池连接段预警曲线的建立和应用

周孝平

(广州市流溪河灌区总管理处,广东 广州 510900)

通过对大坳拦河闸闸后消力池连接段稳定分析,建立了预警曲线。分析计算表明,常规上不考虑水跃因素是偏于危险的,考虑水跃是非常必要的。并在实际工程安全管理中得到应用,可为类似工程安全管理提供参考。

扬压力；水跃；预警曲线；拦河闸坝；渗流

1 工程概况

大坳拦河闸是广州市流溪河灌区的渠首枢纽工程,始建于1958年8月,工程以灌溉为主,兼顾发电和供水,设计灌溉从化区、花都区和白云区2.76万hm2农田,有效灌溉面积2.035万hm2。工程枢纽由拦河闸,左、右干渠进水闸以及闸坝后电站组成,是广州市重要水利工程。

大坳拦河闸最大过闸流量为2 265 m3/s,工程等别为Ⅱ等,主要建筑物级别2级,次要建筑物级别3级。工程按50年一遇洪水设计,100年一遇洪水校核；下游消能防冲建筑物洪水标准按50年一遇设计。

2006—2009年对拦河闸坝消能设施进行了改建,拦河坝加固剖面如图1所示。

图1 大坳拦河坝加固剖面示意

2 连接段预警曲线的建立方法

2.1 连接段的稳定条件

闸室和消力池之间的连接段分为上下两段,建立连接段稳定的预警曲线。忽略连接段之间的相互作用力以及水的摩擦力,连接段1和连接段2分别受三个力的共同作用：一是底板底的扬压力,二是底板面的水压力,三是底板本身的重力,如图2所示。

图2 连接段1和2受力分析

连接段1和2的稳定条件为：(1)连接段顶面的水压力与连接段自重之和大于连接段底板底的扬压力；(2)将底板面的水压力、底板自重和底板底的扬压力分别对同一点取矩,水压力矩与自重力矩之和大于扬压力矩。消力池连接段的可能破坏模式：消力池连接段1可能绕A点掀翻,而连接段2可能绕C点掀翻。故建立以下连接段1和连接段2的稳定条件表达式。

1) 连接段1稳定条件表达式：

①G1cosθ+Fwr1>Fwa1

②MG1-A+MFwr1-A>MFwa1-A

2) 连接段2稳定条件表达式：

①G2cosθ+Fwr2>Fwa2

②MG2-C+MFwr2-C>MFwa2-C

式中Gi为单位宽度连接段的重力,i=1,2；G1=502 kN,G2=499 kN；Fwri为单位宽度连接段顶面的水压力,i=1,2；Fwai为单位宽度连接段底板底的扬压力,i=1,2；MF-A为力F对A点取矩；MF-C为力F对C点取矩。

故从连接段力的平衡和力矩平衡两个方面分别建立预警曲线,即扬压力预警曲线和扬压力矩预警曲线。连接段不同安全储备的预警曲线(函数)CF表达式为：

对于力的平衡：

(1)

对于力矩的平衡：

(2)

2.2 连接段顶面水压力的计算

扬压力预警曲线和扬压力矩预警曲线的计算关键在于连接段顶面水压力Fwri的计算。连接段顶面水压力Fwri与上下游水位和过坝流量相关,其计算可分为以下两种情况：

1) 连接段内不发生水跃的情况,此时,Fwri可直接按大坝下游的静水位计算。不发生水跃的情况主要有两种：

① 过坝流量Q=0。

② 过坝流量大于某一数值,此时下游水位很高,不满足发生水跃的相关条件。此数值在本项目约为 1 800 m3/s。

2) 连接段内发生水跃。这种情况下Fwri的计算可通过水面线分析进行近似的简化计算。其中的关键在于斜坡水跃计算。当水跃的跃首和跃尾确定后,水面线可以通过下述方法(图3)确定：

① 跃首F沿上游方向的水面线取急流水面线EF。计算急流水面曲线EF一般可假定E点处为临界水深,利用标准步长法求解水面线控制方程得到。

② 跃尾G沿下游方向的水面线取缓流水面线GH。计算缓流水面曲线GH,取下游某一位置处水深为边界条件,利用标准步长法求解水面线控制方程得到。

③FG之间的水面线线插得到。

图3 发生水跃时连接段顶面水压力Fwri的计算

在本项目水跃计算中,闸后连接段上的水深均取为临界水深。假定水面线DEFG满足缓变流条件,作用在底板面的水压力可按静水压力计算。连接段上水压力分布确定后,便可求出Fwri。

2.3 跃首和跃尾位置的确定

当发生水跃时,按前节所述方法确定连接段顶面水压力分布时,需要确定跃首和跃尾位置。跃首与跃尾相差一个跃长的距离。这里的方法是先求跃首,再求跃长,从而得到跃尾。

2.3.1 跃首的定位

由于斜坡水跃需要考虑水跃体重力的作用,其动量控制方程尚无解析解,大部分解均为经验公式。关于水跃跃首的定位研究也很少,采用美国陆军工程兵团水文工程中心开发的河流分析系统(HEC-RAS)所用的方法(以下简称为HEC-RAS方法)确定跃首。

HEC-RAS方法确定跃首的主要步骤如下：

① 根据上游某一已知边界,利用标准步长法求出急流水面线,并求出其比动量曲线Msup。

② 根据下游某一已知边界,利用标准步长法求出缓流水面线,并求出其比动量曲线Msub。

③Msup=Msub的点即为跃首。

比动量M的定义如下：

2.3.2 跃长的计算

跃首确定后,求跃长Lj以确定跃尾。Lj的计算较多的公式,这里采用金氏经验公式：

式中 θ为斜坡倾角；N为斜坡水跃形状系数；当tanθ=0.135,N=2.18；y1为斜坡水跃跃前水深,y2斜坡水跃跃后水深。

y1和y2的共轭水深关系式为：

Γ1=100.027θ

3 连接段临界预警曲线

由于预警曲线方程(公式1和2)是上、下游水位和过坝流量的函数,其预警函数为三维曲面。但实际上、下游水位和过坝流量并不完全相符,上下游水位与过坝流量均存在相对稳定的关系,预警曲线方程可化为单变量函数进行求解,预警曲面图简化为曲线图。这里选Q作为变量。

本工程中采用最新实测资料复核后的大坳拦河坝水位～流量关系,过坝流量与上、下游水位三者之间的关系见图4和表 1。

图4 复核后大坳拦河坝水位～流量关系

表1 复核后大坳拦河坝水位～流量关系

选取表 1中前14种水位绘制预警曲线,后面几种流量下不会发生水跃。当安全系数取为1时,按力平衡(式(1))和力矩平衡(式(2))绘制的临界预警曲线如图5所示。同时为了比较,将不考虑水跃作用的预警曲线也表示出来。从图中可以看出,相对于静水位下的抗浮力预警值而言,在考虑发生水跃的情况下,连接段1的抗浮力预警值最多减小185kN,连接段2的抗浮力预警值最多减小170kN；相对于静水位下的抗浮力矩预警值而言,在考虑发生水跃的情况下,连接段1的抗浮力矩预警值最多减小2 545kN·m,连接段2的抗浮力矩预警值最多减小2 485kN·m。由此可见,在计算消力池连接段的预警曲线时,考虑水跃是非常有必要的。

图5 连接段临界预警曲线(安全系数取为1)

选取其中流量Q=770m3/s的工况说明图5中各数据点的详细计算步骤如下：

① 计算临界水深hc和正常水深hn,确定基本的流态。在流量770m3/s时,hc=1.10m,连接段的hn=0.29m(混凝土面的曼宁系数n取为0.013)。

② 确定上、下游边界水深。上游边界设在E处,水深取为临界水深。下游边界设在下游抛石防冲槽尾端H处,其水深按下游水位计算。

③ 按标准步长法分别计算急流水面线EJK以及缓流水面HGL。

④ 分别计算急、缓比动量线Msup和Msub。

⑤ 定位跃首。求Msup和Msub的交点Im,Im在坡面上的竖直投影线与急流水面的交点即为跃首F。

⑥ 计算跃长,定位跃尾G。

⑦ 确定最终复合水面线EFGH。

⑧ 按水面线EFGH按静水压力计算Fwr1,MFwr1-A以及Fwr2,MFwr2-C。

⑨ 结合底板本身的重力,得到此流量抗力和抗矩力。

最终的结果如图6所示。其它各流量下的计算类似,所有工况的水面线如图7所示,抗力的计算结果如表 2所示。

图6 过坝流量Q=770 m3/s时,连接段抗力值的计算

图7 各工况的水面线

表2 各流量下临界预警值计算 力：kN; 长度：m; 时间：s(安全系数=1)

4 抗浮力和抗浮力矩预警曲线的应用

将各工况计算的理论扬压力和理论扬压力力矩,与各工况相对应的实测扬压力和实测扬压力矩汇总于下表3,并将各值作图于最后得到的抗浮力和抗浮力矩预警曲线图中,如图8和图9所示。

表3 各工况下扬压力和扬压力矩汇总

图8 连接段1和连接段2抗浮力预警曲线校核

图9 连接段1和连接段2抗浮力矩预警曲线校核

从连接段1和连接段2的抗浮力预警曲线校核图和抗浮力矩预警曲线校核图可知,各工况均处于安全状态,与实际情况相符,预警曲线的计算是合理可用的。

5 结语

通过消力池连接段扬压力和扬压力矩预警曲线的建立,可以得出以下两个结论：

1) 静水位下的抗浮力和抗浮力矩预警值,比在考虑发生水跃的情况下要大得多。因此,在计算消力池连接段的预警曲线时考虑水跃是非常有必要的,也是偏于安全的。

2) 实际工程管理中,在任何实测扬压力下,只要将各值作图于最后得到的抗浮力和抗浮力矩预警曲线图中,就可以非常容易判定工程的安全状况。如果该值处于预警曲线的下方,则说明消力池连接段处于安全状态。如果该值处于预警曲线上或预警曲线上方,则说明消力池连接段可能出现破坏,应进一步开展现场检查并采取相应措施,避免险情发生。

[1] 曹洪.广州市流溪河大坳拦河坝渗流分析报告[R].广州:华南理工大学,2013.[2] 胡海英.广州市流溪河大坳拦河坝安全鉴定综合报告[R].广州:珠江水利科学研究院,2010.

[3] 金峰,梁通.扬压力问题存在的分歧及最新进展[J].水力发电学报,2009(3):62-68.

[4] 申旋成.闸后消力池斜坡连接段渗流和水跃共同作用的分析和对策[D].广州:华南理工大学,2014.

[5] 郑敏.深厚砂基水闸消能防冲设施抗浮分析研究[D].广州:华南理工大学,2010.

(本文责任编辑 马克俊)

Establishment and Application of the Early Warning Curve of Ramp Connecting Sectionof Energy Dissipatoron Daao Gate Dam

ZHOU Xiaoping

(General Management Office of Liuxihe Irrigation District, Guangzhou 510980, China)

Based on the stabilityanalysis of the ramp connecting section of the energy dissipator, aearly warning curve is established for Daao gate dam. The analysis and calculation show that the stabilityanalysis leans to danger when hydraulic jump is not considered.So it is necessary to consider the hydraulic jump.The research findings was used in the engineering safety management which can provide a reference for the similar projects.

uplift pressure；hydraulic jump；early warning curve；gate dam;seepage

2016-01-18;

2016-02-19

周孝平(1976),男,硕士,工程师,从事水闸工程管理工作。

TV653

B

1008-0112(2016)01-0022-05