对溢流坝模型下游动定床试验的研究

2018-06-04胡海松伍学文

水利科学与寒区工程 2018年4期

张杨，胡海松，伍学文，柳滔

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002)

1 研究背景及意义

目前对于溢流坝挑流冲刷的试验已有众多学者进行了大量的研究，如常云华等[1]通过建立水工物理模型,对溢流坝在不同运行条件下的水流流态进行了观测，对其在下游河床和两岸山体造成的冲刷问题进行了研究；曹刚[2]通过水工模型试验成果的分析,对白石水库溢流坝进行了多种消能工型式研究；陈灿辉[3]较好地解决了溢流坝较窄河床下游溢洪与消能防冲。然而到目前为止，针对河道下游冲刷的动定床试验对比研究的理论成果还是很少，河道下游冲刷的动床、定床试验研究的成果对于河道下游是否需要建立消力池有很大的研究价值。因此针对某实际工程建立水工物理模型进行试验研究，对比动定床下游冲刷的情况而得出相应的结论具有一定的学术价值和实用意义。

2 工程概况及研究内容

2.1 工程概况

某工程水库大坝是溢流坝型式，坝顶高程为560 m，坝河床建基面高程为520 m，上游河段长200 m，下游河道长400 m。溢流堰布置在大坝中部，堰顶高程550 m，堰上设5孔6 m×3 m(宽×高)的闸门，在堰上布置平板闸门。

2.2 研究内容

本文主要根据实际工程建立物理模型进行定床和动床的试验研究，分别设置Q=800 m3/s、Q=1200 m3/s、Q=1600 m3/s三种工况，观测下游定床和动床各断面的流速变化情况。

3 模型试验研究

4 试验数据及结果

图1 模型三维布置图

模型试验采用恒定流的试验方法，以坝下500 m 处的水位测站作为模型水位的控制站。为控制和测量试验河段的流速变化，在整个试验河段以坝轴线为中心，在下游河道布置了3个固定流速测量断面，模型三维布置如图1所示。通过观测溢流坝下游河道在两种不同的工况下流速分布情况，分析下游河岸坡和河道是否需要修建消力池来满足工程消能。在定床和动床条件下，利用模型上游库首的矩形量水堰来控制模型试验流量，针对流量分别为800 m3/s、1200 m3/s、1600 m3/s时，进行了相关水力学的试验研究，为测试敞泄泄流定床和动床条件下下游流速矢量分布，在试验模型的坝轴线下游布置的流速测量断面分别距坝轴线下游100 m处、距坝轴线下游150 m处、距坝轴线下游200 m处；分别用数字表示下游3个流速观测断面，采用光电式旋桨流速仪测得下游各断面流速分布情况。

4.1 定床试验

在定床条件下(即假定下游河床在泄洪时不会发生冲刷变形)，由于挑射水流下泄的能量巨大，巨大的能量直接冲入下游河道，而下游河道又缺少相应的消能设施，致使下游河道水位较天然河道的水位有较大的下降，这种水位的下降，随着下泄流量的增加而更加显著，此时测得下游各断面流速分布情况如表1所示。

表1 在定床条件时下游各断面流速分布情况

试验成果表明：定床条件下，当敞泄流量相同，断面位置距离坝轴线下游处也相同时，不同观测点处的相应的观测流速也不同；当敞泄流量相同时，断面位置距离坝轴线下游处越远，相应的观测流速也就越小；当断面位置距离坝轴线下游处相同时，敞泄流量越大，对应的观测流速也越大。另外由于挑射水流直接将巨大的能量导入下游，致使下游水位较低，河道里的流速极大，尤其坝下100 m范围内流速普遍较大。

4.2 动床试验

模拟动床试验时，由于下游河道采用局部动床进行试验，溢流坝泄洪时，挑射水流下泄的巨大能量使坝下河道地形发生了巨大的变化，也使坝下河道的沿程水位较天然河道水位形成了较大的调整，此时测得下游各断面流速分布情况如表2所示。

表2 在动床条件时下游各断面流速分布情况

试验成果表明：局部动床条件下，在挑射水流巨大能量冲击下，下游河道的地形发生了较大的变化，也使坝下河道的流速分布发生了较大的变化。动床条件下，当敞泄流量相同、断面位置距离坝轴线下游处也相同时，不同观测点处的相应的观测流速不同；当敞泄流量相同时，断面位置距离坝轴线下游处越远，相应的观测流速也就越小；当断面位置距离坝轴线下游处相同时，敞泄流量越大，对应的观测流速也越大。