阶梯面坡度对一体化消能工水力特性影响的试验研究

2022-03-02秦海杰

水利科学与寒区工程 2022年2期

秦海杰

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000)

1 工程背景

猴山水库位于辽宁省绥中县范家乡赵家甸村境内的狗河上，主要任务是城市供水，同时兼具防洪和下游农业灌溉条件的改善。水库的永久性建筑物主要包括挡水大坝、溢流表孔、消力池、泄洪底孔等组成，其中主要建筑物为1级，次要建筑物为3级。工程的泄水建筑物包括5个溢流表孔，堰顶高程为384 m，孔口尺寸为5 m×13 m×20 m，采用宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能工，主要由WES堰面曲线、宽尾墩、挑坎、斜坡段、反弧段以及设有消力坎的消力池。在水工设计和建设领域，泄水建筑物具有十分重要的作用，不仅要保证多余洪水的安全宣泄，还需要具有良好的消能效果，严格控制其对下游坝体的冲刷，保证大坝安全[1]。但是，随着大坝坝高和流量的不断加大，消能率低和空蚀空化现象日趋严重[2]。为了解决这一问题，部分工程采用了阶梯溢流坝设计，通过阶梯面掺气，改善下泻水流的空蚀空化问题[3]。显然，阶梯坡面坡度的变化会对下泻水流的水力特征和消能效果产生显著影响[4]。基于此，此次研究通过模型试验的方式，探讨不同坡度对阶梯溢流坝一体化消能工水力特性的影响，以便为相关工程设计提供有益的借鉴。

2 水工试验模型

2.1 模型的设计和制作

在试验研究中选择背景工程溢流坝段5个溢流表孔中的两个，按照佛汝德准则进行单体水工试验模型设计。模型的几何比尺为1∶60、流量比尺为7885.48、流速比尺为7.75、压力比尺为60、糙率比尺为1.98、时间比尺为7.75。制作和安装精度均满足《水工模型试验规程》(SL 155—2012)。模型的模拟范围从上游700 m值下游围堰轴线600 m，全长约1900 m，坝轴线的上游地形高程420 m，下游围堰轴线两岸的地形高程360 m。在模型的制作和安装过程中，根据工程的平面图以及地形图上的设置三角网进行控制，利用全站仪进行控制点的释放，在地形复杂的区域进行加密处理[5]。为了保证高速水流条件下水流流态的稳定性，利用水准仪高程测量。溢流堰顶、溢流表孔、宽尾墩、结题溢流坝面，反弧段和消力池等水工试验的关键部位采用有利玻璃制作，这不仅方便观察水流流态，同时也可以保证模型和实体在糙率上的相似性。模型的其余部位利用水泥砖砌筑，利用水泥砂浆抹面[6]。

2.2 试验过程与方法

试验过程中通过潜水泵将地下蓄水池中的水经过输水管道输送至高位蓄水池中，利用上游闸门的控制和调节，使量水堰的水位和水量达到试验要求，然后开始试验观测，并记录好相应的试验数据。模型的下泻水流经过下游的尾水池收集并最终进入地下蓄水池，实现循环利用。

为了分析坡度对消能工水力特征的影响，水工模型试验中进行水深、流速的测量计算[7]。在测点的布置方面，在模型沿线一共布置28个测点。其中试验过程中的水深利用测针测量，精度为0.1 mm；近底流速采用毕托管测量，测量位置为距离模型底板20 cm处；试验中的时均压强采用内径12 mm的玻璃管测压排测量，其精度为1 mm。

2.3 试验方案

此次试验中的掺气坎设置在阶梯溢流坝的前端，WES堰面线后接坝面的坡度为53.13°，阶梯段设置29个阶梯，每个阶梯的高度和宽度分别为1.00 m和0.75 m。结合相关研究成果和工程经验，设计51.5°、53.5°和57.0°三种不同的阶梯面坡度，同时增加高度1.0 m，角度为10°的掺气坎[8]。具体的模拟方案如表1所示。

表1 试验方案参数设计表

3 试验结果与分析

3.1 水面线

消力池内的水面线分布特征是消能效果的重要判别指标，同时也是边墙设计的重要影响因素。研究中根据试验水深数据，整理获取如表2所示的消力池沿程水深。由表中的试验数据可以看出，不同坡度方案下的消力池水深变化特征比较接近。具体来看，在消力池的前段水深逐渐增加且增幅较大，中部的水深上升幅度较小，并在尾坎部位达到最大值，在尾坎下游水位略有下降。从不同方案的试验结果对比来看，阶梯面坡度对沿程水深存在一定的影响，但是影响的幅度并不大，其中方案2的最大水深值最小，为52.13 cm。

表2 各方案消力池沿程水深试验结果 cm

3.2 流速分布

试验中对不同方案下的反弧段和消力池的临底流速进行测量，结果如表3所示。由表中的结果可以看出，模型的反弧段和消力池的临底流速沿程分布变化特征基本一致。具体来看，经过上游的宽尾墩和掺气坎挑射之后，下泄水流以一定的角度跌入反弧段，造成反弧段流速迅速增加，在消力池中随着能量的消耗和尾坎的雍水作用，水流的动能逐渐降低，流速迅速减小。从不同方案的试验结果对比来看，临底流速最大的是方案1，在桩号0+116.25部位的流速值最大为3.46 m/s，按流速比尺换算，实际工况下的流速值为26.84 m/s，已经超过工程设计的允许值，会产生比较明显的冲刷。方案2和方案3的最大流速值比较接近，分别为3.20 m/s和3.18 m/s。

3.3 紊动能和紊动消散率

紊动能和紊动消散率是消能工消能效果的重要指标。利用试验数据对不同方案下的反弧段和消力池的紊动能和紊动消散率进行计算，从计算结果中提取两者的最大值，结果如表4所示。由表中的结果可以看出，紊动能和紊动消散率的最大值随着坡度的增加而增大。其中，方案2的紊动能较方案1增加8.25%，方案3较方案2增加约1.92%。由此可见，增大坡度值，有利于消力池内下泻水流的翻滚和摩擦，提高消能效果。

表3 反弧段和消力池沿程临底流速试验结果 m·s-1

表4 紊动能和紊动消散率最大值

3.4 消能率

消能率是也是评价消能工消能效果的重要指标。研究中选取模型上游水流进口断面和下游出口断面，利用能量方程和试验数据，计算三种不同试验方案下的消能率，结果如表5所示。由表中的结果可以看出，不同方案的消能率存在一定的差异，说明阶梯坡面的坡度对消能工的消能率存在一定的影响。从不同方案的对比来看，效能率随着阶梯坡面坡度的增加而增大，方案1的消能率最低，为59.73%；方案2和方案3的消能率十分接近，分别为59.93%和59.97%。由此可见，进一步增加阶梯坡面的坡度对增加消能率的作用较为有限。