台阶溢洪道与锥形阀泄放管泄洪消能试验研究

2021-12-16

水利建设与管理 2021年11期

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014)

近年来台阶溢洪道作为泄水建筑物得到广泛应用，与传统光滑溢洪道相比，其突出特点是使下泄水流逐级掺气、减速，消能率高[1]。下泄水流经台阶溢洪道时，在台阶内形成旋滚水流，水流的剧烈紊动、剪切作用造成了能量的损耗，达到消能目的，使进入下游河道的水流流速降低，从而减小下游消能防冲设施的尺寸和范围。国内外学者们对台阶消能工进行过大量的试验研究。田嘉宁等[2]通过试验对台阶上不同流态的比能和消能率进行了研究；程文磊等[3]研究了阶梯溢流坝采用前置掺气坎+调整段+阶梯段+反弧段+消力池体型的水力特性，在单宽流量较小时，可以显著减小消力池规模；杜金威等[4]通过试验得出采用台阶溢洪道+消力池消能工体型，台阶溢洪道的消能率在联合消能工中的占比较高。

锥形阀一般应用于较高水头、大流量下的消能控流工作。通过阀体内部结构使水流产生旋转、紊动，出流呈辐射形散射，形成宽广的锥形扩散水流。扩散水流与空气之间相互摩擦、掺气而消除部分能量。喻哲钦等[5]、秦武等[6]为提高消能效果对锥形阀的内部结构采用数值模拟计算和物理模型试验进行了改进，李翠艳等[7]对水库输水洞平板闸门改建为锥形阀后的消力池进行了模型试验研究，罗毅等[8]对锥形阀在输水管道中的消能效果进行了探讨。但鲜有前人对锥形阀出流直接抛射至下游河道进行试验研究。

本文所述工程若采用平滑溢洪道+泄水底孔作为主要泄水建筑物，为减小水流下泄余能，溢洪道一般采用挑流利用下游水垫消能或在下游修建消力池+尾坎提高消能效率，泄水底孔一般会采取常规的挑流消能。与上述传统泄洪消能方式相比台阶溢洪道+锥形阀泄放管有更突出的优势：台阶溢洪道易于施工、工期短、投资省；锥形阀结构简单、施工方便、消能效果好、运行灵活、易维修维护。文中结合台阶溢洪道与锥形阀泄放管模型试验研究，分析了采用该泄水建筑物布置形式的水力学指标，可为工程泄水建筑物设计和优化提供参考。

1 概述

梅州抽水蓄能电站下水库大坝顶高程419.00m，正常蓄水位413.50m，死水位383.00m。泄水建筑物由表孔溢洪道和锥形阀泄放管组成。表孔溢洪道堰面曲线为WES型曲线，进口溢流总净宽40.0m，共分为4孔，单孔宽10.0m。过堰后泄槽段宽度由两侧向中间渐变缩窄，两边收缩角度均为10°，泄槽出口段宽度31.5m。泄槽段坡比1 ∶0.75，单级台阶高度为1.2m，水平长度0.9m(前四级采用0.6m×0.45m过渡台阶)，泄槽出口采用圆弧过渡至水平与下游护坦顺接，出口高程340.00m。泄放管布置在表孔右侧，进口高程376.00m，管径2.0m，锥形阀(阀体外设导流罩)布置在出口并向河中偏转5°，出口中心线高程351.00m。在下游河道开挖区末端设二道坝，坝顶高程343.00m。平面布置及锥形阀剖面见图1。

图1 平面布置及锥形阀剖面

通过水工模型试验研究，复核其泄流能力，测验泄水建筑物水力学指标，观测水流流态，论证泄水建筑物设计方案并提出优化建议。主要试验工况见表1。

表1 试验工况

2 模型设计与制作

试验模型依据重力相似准则设计[9]，采用正态模型，比尺1 ∶30。相应其他物理量比尺见表2。

表2 模型比尺

试验模型范围包括上游库区、泄水建筑物、部分下游河道。溢洪道采用水泥刮制，锥形阀泄放管采用有机玻璃制作。河道地形根据1 ∶500地形图采用断面板法和等高线法用水泥砂浆抹制。模型满足几何相似、水流运动相似和动力相似，制作安装精度满足规范要求[10]。

3 试验成果

3.1 泄流能力

表孔溢洪道泄流能力计算公式为

(1)

式中Q——流量，m3/s；

ε——收缩系数，取0.95；

σ——淹没系数，取1；

m——流量系数；

n——闸孔数，取4；

b——闸孔净宽，取10，m；

g——重力加速度，取9.81，m/s2；

H0——堰上总水头，H0=库水位-413.50，m。

泄流能力试验成果表明：各水位下试验泄量值略大于设计值，表孔试验值比设计值大0.36%～1.4%，锥形阀泄放管试验值比设计值大0.64%～2.41%，说明泄水建筑物泄流能力满足设计要求。表孔、锥形阀泄放管水位流量关系曲线见图2。

图2 表孔、锥形阀泄放管水位流量关系曲线

3.2 台阶溢洪道

3.2.1 流态

台阶溢洪道下泄特征频率洪水时，溢流面单宽流量在5.9～15.45m3/(s·m)之间，台阶初始掺气位置随下泄流量的增加而向下游移动，掺气充分后的台阶面水流为滑移流。台阶角隅内形成稳定的漩涡，水流剪切作用明显，大量掺气。台阶上的水流受到固定边界约束及主流向下的拖曳作用，在台阶内角表现为横向旋滚运动。随着流量的增加，水流紊动发展不尽相同，这是由于水流除受台阶面扰动，还受到了中隔墩的扰动影响，导致中墩尾部的水流紊动发展比台阶面其他位置快，台阶面初始掺气位置从立面上呈“驼峰”状。由于首级台阶水流受到的扰动较小，紊流边界尚未发展到水面，此时流态平顺。当下泄水流到达一定的台阶级数时，具体为消能防冲工况至第3级、设计洪水工况至第7级、校核洪水工况至第12级附近，紊流边界发展到自由水面，水面破碎，水体掺气充分，下泄水流呈乳白色，紊流掺气一直持续到末级台阶并进入护坦。泄洪时护坦内呈现出不同流态：消能防冲工况为稳定的水跃流态；设计工况水跃呈三角形；校核工况跃首位于护坦外，为远驱水跃。后经试验比较，将二道坝高度由3m提高至6m，增加下游水垫厚度，下泄各频率洪水时下游将形成稳定的水跃流态。由此可见台阶溢洪道在下游没有设计消力池时，可以采用短护坦接二道坝、下游护岸不护底的型式，从而减小下游消能防冲设施的投资。特征工况流态见图3。

图3 台阶溢洪道流态

3.2.2 流速

同工况下，从初始掺气台阶至末级台阶，流速值增长较慢，沿程断面流速变化不大。不同工况下，台阶面流速值随下泄流量的增加而增大：消能防冲工况，台阶沿程流速在13.39～15.03m/s之间；设计工况，台阶沿程流速为14.28～15.56m/s；校核工况，台阶溢流面流速为14.26～16.16m/s。由于台阶溢流面掺气充分，沿程流速量级较小且分布较均匀，发生空化空蚀的可能性大大降低，保证了台阶溢洪道的泄洪安全。台阶溢流面流速分布见图4。

图4 台阶流速

3.2.3 消能率

水流经过溢洪道台阶面，紊动强烈并伴有旋滚破碎，水体掺气充分，在此过程中部分能量耗散。为了计算台阶面水流在泄洪过程中的能量耗散情况，对上游进口断面和台阶末端断面建立能量方程来计算消能率的变化，用两断面的能量差值与进口断面能量之比作为消能率，消能率采用下式计算：

(2)

式中E1——上游进口断面总能量，m；

E2——台阶末端断面总能量，m。

上游进口断面总能量E1采用下式计算：

(3)

式中Z1——上游断面相对于护坦底板的高度，m；

H1——上游断面水深，m；

V1——上游断面平均流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81，m/s2；

α1——上游断面流速系数，取1。

台阶末端断面的总能量E2采用下式计算：

(4)

式中Z2——台阶末端断面相对于护坦底板的高度，m；

H2——台阶末端断面水深，m；

V2——台阶末端断面平均流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81，m/s2；

α2——台阶末端断面流速系数，取1。

各工况消能率计算见表3，从表3可以看出台阶消能率随着单宽流量的减小而增加。

表3 各工况台阶消能率

在各级流量泄洪运行时，对台阶溢洪道与光滑溢流面下游末端相对消能率进行了对比，计算成果见表4。台阶溢洪道末端泄洪动能只有光滑溢流面相应动能的40.12%～42.09%，相对消能率达75%以上，台阶溢洪道泄洪消能作用较明显。

表4 光滑和台阶溢流面相对消能率比较

由此可见台阶溢流面消杀了下泄水流的大部分能量，从图5可以看出，消能率呈现随单宽流量的增大而缓慢减小的趋势，这与前人研究成果一致。

图5 单宽流量与消能率的关系

3.3 锥形阀泄放管

3.3.1 流态

水流通过泄放管进入锥形阀，受到阀体内部结构及前部锥体的导向作用，使出流以辐射形散射出来。导流罩对散射水流起到一定的约束作用，防止出流扩散至岸边冲刷岸坡，出射水流在消能罩内充分紊动、旋转，从而达到消能目的。由于锥形阀泄放管布置在表孔右侧，原设计方案出口向河中只偏转了5°。试验成果表明：水舌落点距右岸边不到5m，岸边最大冲刷深度6.5m，泄洪冲刷可能危及右岸边坡安全。经多方案试验比较，将锥形阀泄放管出口偏转角增至13°时，水舌落点基本位于河中，落点距右岸边最小距离12.8m，避免了泄洪冲刷对右岸边坡的影响。

3.3.2 锥形阀消能率

锥形阀及导流罩作为消能设施，其消能率也是受到关心的问题。通过试验对锥形阀消能率的变化情况及规律进行研究，分析了不同流量下消能率的变化趋势。以导流罩出口作为参考断面，采用系统消能率进行估算，公式如下：

(5)

式中η——系统消能率；

h——断面平均水深，m；

H——水头，m；

g——重力加速度，m/s2；

q——单宽流量，m3/(s·m)。

经计算锥形阀系统消能率在86.62%～92.20%之间，其成果见图6。由图6可知，消能率随着流量的增加而缓慢增大。分析其原因，在流量较小(库水位偏低)时，锥形阀出口流速相对较小，阀体及导流罩内水流紊动作用有限，消能率相对略低；随着流量增大(库水位升高)，出口流速增加，水流紊动及旋转作用增强，消能率有所提高。