台阶式溢洪道体型设计及掺气减蚀优化试验研究

李佳纶

台阶式溢洪道体型设计及掺气减蚀优化试验研究

李佳纶

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

根据三塘沟水库基本情况，建立水工模型试验得出原设计方案无法满足下泄流量要求，通过水工模型试验对其进口体型进行调整后可安全下泄设计流量，台阶起始端两侧通气孔掺气效果明显，第4级台阶开始掺气充分，原设计掺气位置设计合理，所有运行工况下，水流空化数最小值为0.29，故该工程不会发生空化空蚀破坏。体型修改方案和空化数的计算可为类型工程提供参考。

台阶式溢洪道；体型优化；掺气减蚀；空化数

近年来，我国的水利水电工程建设技术取得了重要突破，建成了三峡、小浪底、南水北调工程等一批具有世界水平的工程[1]。泄水建筑物作为枢纽工程中较重要的组成部分，通常引起设计人员的重视，但通常采用理论公式计算出的结果无法真实反映泄水建筑物运行时的真实工况，因此需通过水工模型试验来对其进行验证，能够较真实地观测出建筑物的流态、流速、水面线等水力学参数，提出优化措施，为设计人员提供参考[2]。

1 模型试验

1.1 工程概况

三塘沟水库位于位于乌鲁木齐市及昌吉市以南，距离两市均约40 km处的头屯河中游，为沥青砼心墙砂砾石坝，坝顶高程984.25 m，防浪墙高1.2 m，坝顶宽8.0 m，大坝建基面高程为884.00 m，坝高100.25 m，坝顶长201.26 m，上游坡比为1∶2.5，下游坡比为1∶2.2。

开敞式溢洪道位于大坝右岸，按100年一遇设计，2000年一遇校核。溢洪道采用直线布置，堰轴线与大坝轴线夹角为153.53°，为开敞式正槽岸边溢洪道，设闸门控制。溢洪道包括进水渠、控制段、泄槽和消能防冲设施四部分组成，总长305.21 m。控制段溢流堰利用3扇6 m×4.0 m（宽×高）的弧型闸门控制，控制段后35m为渐变段，渐变段后等宽15 m，泄槽采用矩形断面，纵坡24.6%，消能防冲设施采用底流消能。

1.2 模型设计与制作

模型按重力相似准则设计，根据委托方对模型试验的任务要求，并结合实验室场地等条件，经双方商定后，采用比尺Lr＝60。流量比尺Qr=Lr5/2=27885.5，流速比尺Vr=Lr1/2=7.746，时间比尺Tr=Lr1/2=7.746，糙率比尺Nr=Lr1/6=1.979。模型试验布置见图1。

图1 溢洪道水工模型试验布置图

1.3 试验结果分析

1.3.1 泄流能力分析

从表1中的测验数据可以看出，当库水位为校核洪水位时，模型实测的泄流量为1188.88 m3/s，比设计泄流量1240.8 m3/s小4.18%，说明校核洪水位泄流量不满足设计。同样对于设计洪水位978.59m和正常蓄水位978.49m来说，其泄流量也分别小于设计值3.44%和3.19%，故应调整进口导墙线型，改善进口水流流态，使水流更加顺畅，以达到增加下泄流量的目的。

表1 原设计方案各特征库水位的试验实测流量表

1.3.2 掺气效果分析

试验按照原设计方案的掺气槽位置，在0+084.33位置的台阶左右两边设置通气孔，当库水位在校核洪水位时，掺气空腔稳定，空腔长度为4个台阶距离，见图2。由于水流掺气充分，故模型台阶水流呈现为乳白色。对设计洪水位来说，掺气空腔依然稳定，长度基本和校核洪水位相同，故原设计方案掺气位置设置合理，掺气空腔稳定。

图2 溢洪道水工模型试验布置图

2 模型调整

2.1 模型体型调整

新设计方案主要是将溢洪道纵向线型进行了调整，其中：从闸室进口到达渐缩段末端0+050.30之间依然保持原设计体型不变。从0+050.30位置向下，一直到达溢洪道末端，新方案还是保持原设计中心线不变，且泄水建筑物宽度依然为20 m。从0+064.82～0+083.43为半径30 m的正圆弧曲线；0+083.43～0+125.73是台阶段，台阶比降i=1∶0.9；0+125.73～0+144.63为半径30 m的反圆弧曲线；然后与i=1∶10的输水渠连接，输水渠桩号0+144.63～0+214.63；后接1∶3比降陡坡0+214.63～0+264.63；消力池从0+264.63～0+304.63；为了便于模型试验修改优化，在新设计体型制模时，将新设计方案消力池从设计的40 m长变为60 m，其他位置按照新设计方案进行模型的加工和制作。通过对新设计方案校核洪水位和设计洪水位的试验，可以看出，正圆弧、台阶、反弧以及输水渠道水流都比较顺畅，泄流能力满足设计要求。

2.2 掺气减蚀试验

由于台阶面上的水流在不同单宽流量时，其流态不同[3-5]。消能机理也不同，台阶面流态较为复杂。当单宽流量较小时，水流呈舌状跌落水流，消能形式基本类似多个小跌水连续消能。随着单宽流量的逐渐增大，舌状跌落水流向滑移水流转化，而台阶面在滑移流条件下，水流的能量主要通过水流在台阶面上的裂散、掺气以及主流和底部漩涡之间的紊动交换实现消能。文献[6-7]认为，台阶面上的滑移流按掺气特征可以划分为3个区域，即非掺气区、掺气发展区和充分掺气区。在非掺气区和掺气发展区，由于该区段水流没有掺气或掺气不充分，试验观察到其水体为透明或半透明形态。鉴于台阶面在台阶的突出点高速水流通过时，有可能出现负压，从而引起空化空蚀破坏。加上台阶面的压强变化梯度大，为了保证其安全正常的运行，应该考虑台阶面的掺气减蚀问题。

按照设计要求，通气孔设置在第一个台阶位置。由于在正圆弧末端的切线斜率（i=1∶1.2）缓于台阶段的坡度（台阶坡度i= 1∶0.9），所以该处设置通气孔不需要专门设置掺气挑坎，体型本身就相对于设置了一个i=1∶0.144的掺气挑坎，自然具有掺气挑坎的作用，这一点也得到试验的证明。校核洪水位工况的掺气空腔流态见图1。从图中可以看出，其掺气空腔稳定，掺气充分，各特征工况的掺气孔通风量见表2。

2.3 空化数分析

对于台阶面以下流速较大区段而言，依然是最容易发生水流空蚀破坏的位置，因此必须对其水流的空化数进行分析，给设计提供必要的参考依据。通过对推荐的抛物线体型沿程流速分布和沿程压强的试验测验，按照水流空化数计算公式：

表2 特征运行工况的掺气孔通风量表

表3 台阶面以下溢洪道水流空化数计算结果

式中：σ为水流空化数；ha为大气压强水柱高m，（ha=10.33-）；h0，v0为断面的时均动水压强水柱高m和实测断面流速m/s；hv为水的汽化压强水柱高，在t=20℃时，hv=0.24 m；g为重力加速度m/s2；Z为工程所在位置的海拔高程m。

进行水流的空化数计算，结果见表3。

从表3的计算结果看，所有运行工况下，水流空化数最小

3 结语

由于本工程地基承载力较高，地基处理的目的主要是控制沉降和消除液化，减沉复合疏桩基础在控制沉降上都能达到较好的效果，但需要采取其它消除液化的措施。在采取围封消除液化情况下，减沉复合疏桩基础可以和围封板桩采用同样设备施工，避免设备的二次进场，节省工程投资。

龙津闸站已于2015年12月底完工验收，运行良好，采用减沉复合疏桩基础效果，无论从地基处理效果，还是经济上都非常具有优势,对于类似工程地基处理有很好的借鉴作用。

[1]汕头市东部城市经济带新津片区河口治理及综合开发项目岩土工程勘察报告［R］.上海：上海海洋地质勘察设计有限公司，2008年9月.

[2]SL 265-2001，水闸设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2004.

[3]JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4]JGJ94-2008，建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.值为0.29。根据以往研究成果和工程运行实践成果，认为当水流空化数小于0.22时，应考虑采取掺气减蚀工程措施，避免空蚀破坏的发生。按照此标准，认为该工程不会发生空化空蚀破坏。

3 结论

本文通过模型试验对三塘沟水库台阶式溢洪道的体型、泄流能力、掺气效果、空化数等进行了研究分析。通过模型试验发现，原方案设计和校核工况下其泄流量也分别小于设计值3.44%和3.19%，溢洪道泄流能力不满足设计要求，通过水工模型试验进行体型调整，调整后的溢洪道正圆弧、台阶、反弧以及输水渠道水流都比较顺畅，泄流能力满足设计要求。最后对溢洪道水流的空化数进行分析可知，溢洪道不会产生空蚀破坏。

参考文献

[1]田嘉宁,大津岩夫,李建中,安田阳一.台阶式溢洪道各流况的消能特性[J].水利学报,2003,04:35-39.

[2]张志昌,曾东洋,刘亚菲.台阶式溢洪道掺气特性的试验研究[J].应用力学学报,2003,04:97-100+167.

[3]张志昌,徐啸.台阶式溢洪道非掺气水流水面线的计算[J].水利水运工程学报,2012,01:30-35.

[4]尹芳芳,张志昌,曹伟涛.设有掺气挑坎的台阶式溢洪道的三维数值模拟[J].电网与清洁能源,2010,04:68-72.

[5]郝永志.台阶式溢洪道流场三维数值模拟研究[J].黑龙江水利科技,2016,08:3-7.

[6]白呈富.高水头溢洪道的掺气减蚀与消能防冲研究[D].武汉大学, 2005.

[7]张天刚,杨再宏,高学平.坎槽式掺气减蚀措施在溢洪道设计中的应用[J].云南水力发电,2004,05:69-72.

Experimental Study on Optimization of Corrosion of Stepped Spillway Shape Design and Aeration Reduction

Li Jialun
（XinjiangWater Resources and Hydropower Surveyand Design Institute,Urumqi 830000,Xinjiang）

Accordingtothe basic situation ofSantanggou reservoir,the hydraulic model test was carried out tofind that the original design scheme could not meet the requirement of discharge flow.After adjusting the inlet size of the inlet model,the design flowrate could be safely vented.Gas effect is obvious,the fourth level began to fully aerated,the original design aeration location design is reasonable,all operatingconditions,the minimum number of cavitation cavitation 0.29,sothe project does not occur cavitation cavitation damage.The calculation ofthe bodymodification scheme and the cavitation number can provide reference for the type engineering.

Stepped spillway；size optimization；Aeration and erosion reduction and Cavitation number

TV651.41

B

1673-9000（2017）02-0103-02

2016-02-04

李佳纶（1983-），男，甘肃兰州人，工程师，主要从事水利水电勘测设计规划研究工作。