庙堂水库溢洪道中墩水翅消减研究

2022-07-31付旭辉刘志庆罗媛媛刁云川胡光平

人民珠江 2022年7期

付旭辉，刘志庆,龚敖，罗媛媛,刁云川，胡光平

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400016；2.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400016；3.广东珠荣工程设计有限公司重庆分公司，重庆 400016)

溢洪道是水库枢纽工程的重要组成部分，是保证水库大坝安全的重要设施，水翅现象则是溢洪道及泄洪洞等泄水建筑物闸室中墩后常见的一种水力现象。它的存在，尤其是在高流速大流量的情况下，将给相应的泄水建筑物造成严重的危害。一方面，水翅交汇时能量集中，容易对泄槽的底板造成冲击；另一方面，水翅产生的边墙折冲波在接触边墙以后会使得水流涌高甚至翻越边墙，给边墙以及周边的建筑物和地质环境造成严重的破坏[1]，大量的工程实例中水翅的破坏性都体现于此。如天生桥一级水电站溢洪道溢流堰闸墩尾部所形成的水翅，产生了很高的水冠，造成相应水工建筑物的危险[2]。

由于水流边界条件和水翅产生机理均较复杂。对于工程中水翅问题，以前一般采用水工模型试验进行研究。目前，解决这一问题的最佳手段就是在中墩尾部增加斜尾墩。如段维钧[3]在20世纪80年代初所做的研究。李桢等[4]采用比尺为1∶60的正态物理模型对溢洪道体型进行优化试验研究。结果表明，在闸墩尾部加设尾墩，使泄槽段水流流态有了极大的改善，水流平顺，基本上消除了水翅现象。陈斌等[5]结合工程实际，通过试验对尾墩及挑坎体型进行优化，对比分析了在闸墩后设置尾墩及溢流坝边墙偏转不同角度的优化效果。结果表明，通过在闸墩后设置合理尾墩,可基本消除闸室出口水翅现象。郭瑾瑜等[2]采用Realizable k-ε模型和VOF多相流方法，对溢洪道引水渠、溢流堰和泄槽段进行三维数值模拟。分析了中墩尾部水翅的成因与影响因素。并且采用物理模型试验进行验证，得出增设斜尾墩能够较好地解决溢洪道中墩水翅问题。王川等[6]以印度尼西亚 Jatigede 大坝溢洪道中墩后形成的水翅为研究对象，在斜尾墩的基础上，将其侧面直线段改进为流线型，并通过数值模拟和水工模型试验的方法得到其消除水翅效果优于普通斜尾墩。石岩[1]通过数值模拟的方法得到了水翅流场的特征与运动规律，从水翅形成机理角度对水翅现象加以分析研究。分析各种闸墩尾部形式对流场的作用，对比水工模型试验结果，从不同的角度对工程设计进行优化研究，同时深入地阐述水翅现象的基本原理。薛宏程等[7]利用量纲分析和物理模型试验方法，对溢洪道闸墩后水翅的水力特性和消减措施开展研究。试验结果表明，影响水翅长度和高度的主要因素有闸墩尾部出口处的弗劳德数 Fr0、溢洪道坡度i、闸墩宽度等，提出的复合式斜尾墩比传统四棱台型尾墩能更好地避免水翅发生，为实际工程消除水翅现象提供了新思路。

庙堂水库工程在进行模型试验时发现在闸墩尾部出现了水翅现象，造成泄流流态不稳定，威胁到溢洪道的结构安全。本文采用水工模型试验对庙堂水库溢洪道中墩水翅进行研究。针对不同的尾墩体型进行研究，找出适合本工程溢洪道的中墩尾墩体型。

1 工程概况

庙堂水库工程位于重庆市巫山县平河乡境内，坝址所在河流属大宁河左岸一级支流后溪河，距巫山县城区98 km。该工程是一座具有城镇供水、农业灌溉和农村人畜饮水等综合利用功能的水利工程。庙堂水库工程为Ⅲ等中型工程，该工程是一座具有城镇供水、农业灌溉和农村人畜饮水等综合利用功能的水利工程。坝址以上控制集雨面积19.62 km2。总库容1 064万m3，多年平均可供水量1 881万m3。水库正常蓄水位1 118.00 m，100年一遇设计洪水位为1 118.33 m，1 000年一遇校核洪水位为1 119.91 m。根据庙堂水库坝址两岸的地形、地质条件，溢洪道布置在大坝左岸的基岩上，为有闸控制正槽溢洪道。由进口段、控制段、泄槽段、消能工等组成，总长501.94 m。大坝为沥青心墙堆石坝，最大坝高107 m，级别为2级，溢洪道、取水塔级别为3级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇，消能防冲设计洪水标准为30年一遇。工程由大坝枢纽工程、借水工程和供水工程三部分组成。

2 模型试验

2.1 模型设计

水工模型依据重力相似准则设计，采用1∶30几何比尺制作。整个水工试验模型主要包括库区、溢洪道进口至护坦、下游河道地形(动床)、尾门、沉沙池等。溢洪道水工模型整体材料采用有机玻璃，实测模型糙率为0.008 0～0.008 5，换成原型为0.014～0.015，与提供的混凝土糙率十分接近，基本满足阻力相似条件。各物理量主要的比尺关系见表1。

表1 模型主要比尺关系

2.2 试验控制

根据初步任务书和所在河段的水文地质资料，在三级流量下进行模型试验，模型试验工况参数见表2。

表2 溢洪道试验工况

2.3 试验方案

试验共对比研究3种体型方案，体型1采用传统的椭圆型尾墩，见图1a；体型2为中墩加装斜尾墩，结构设计基于文献[8]中提出的水翅消能工体型[8]，见图1b、1c；基于体型2、3将前后端面以直线连接的方式改为流线型曲线连接，使斜尾墩边界更接近水流流线，具体型式为王川等[6]提出的新型尾墩，见图1d、1e。

a)体型1中墩体型

b)体型2中墩体型俯视

c)体型2中墩体型侧视

d)体型3中墩体型俯视

e)体型3中墩体型侧视

其中图1b、1d中墩尾墩a为中墩厚度的3～4倍；b为中墩厚度；c为中墩厚度的1/7～1/8；当溢流堰为宽顶堰、实用堰时d分别为安装处水深的1.0～1.1、0.5～0.6倍；图1d、1e中墩尾墩的后端面为铅直方向；e为所在处水深的1.0～1.1倍。3种中墩体型参数见表3。

表3 3种中墩体型结构参数

3 结果分析

3.1 水翅流态分析

流态是水力条件是否优劣最直观的判断，也是判断泄水建筑物体型是否合理的最有效的依据[1]，选取3种体型在3个工况下的流态为例，见图2—4。

图2 体型1—3水翅形态，工况1(Q=254 m3/s)

图3 体型1—3水翅形态，工况2(Q=302 m3/s)

图4 体型1—3水翅形态，工况3(Q=387 m3/s)

由图2—4可知：体型1在各个工况下，两边边墙在边墩的近壁面水位明显高于中墩近壁面的水位，且沿程水面线在中墩尾部先凹后跃起，为水翅的形成提供了有利条件。由模型试验可知，水流在尾墩后的沿坝轴线位置的流速分量速度突增，2股高雷诺数的水流对冲使尾墩处水面线下降，在尾墩处形成一个较大区域的空腔水翅产生的急流冲击波严重影响水流的正常下泄。同时水翅现象有可能造成水流外溢，严重影响溢洪道的结构安全和运行安全[4]，从模型试验可以看出水翅现象随着流量的变大不断加强，对于大流量泄洪时，水翅严重威胁到溢洪道的结构安全。校核工况下水翅现象较为剧烈，并且在溢洪道内摆动，引起溢洪道底板沿程压力波动。与体型1相比，体型2中的斜尾墩通过减小墩后水流交汇角度，使 3个工况的水翅规模均明显消减，且原来水翅向左岸倾斜、扰乱水流下泄的情况也有所改善，但溢洪道左中右的水面线高度不一，水面仍不平稳。且由于斜尾墩两侧为直线连接，导致水流直线下泄，中墩两侧的水流形成强烈对冲。在水翅最前端形成类似水柱直插反弧段，对其流速分布和流态均有不利影响[4]。体型3相较于前两种体型，可以看出水翅的高度和长度均明显减小，并且两孔水流交汇对冲角度明显减小。溢洪道左中右的水面线基本一致，溢流面流态良好。体型3侧面采用三次抛物线的衔接形式，更接近于泄流流线，可以使溢洪道水流更加平顺，使得水流更加稳定[4]，使水流在尾墩末端交汇时不易产生碰撞，避免了能量急剧转换带来的高强度水流对冲，有利于溢洪道的结构安全。

3.2 水翅形态参数分析

根据观察溢洪道闸墩后的水翅现象，定义了相关参数见图5。Lw和Hw分别是水翅的长度和高度，水翅长度是水翅起点到水翅落水点的距离，反映了水翅在泄槽纵向的影响范围;水翅高度是水翅跃起的最高点到泄流水面线的距离，该值为设计溢洪道边墙的高度提供参考。Hc是闸墩后两股水流失去墩壁约束后下跌的竖向高度[7]。

图5 溢洪道闸墩后水翅及参数示意

此次模型试验主要通过对Hw、Lw和Hc3个参数的对比来研究3种中墩尾墩体型在消除水翅方面的作用，从而选出适合此工程的中墩尾墩体型。水翅形态参数见表4，库水位与各水翅参数的关系曲线见图6。

由表4、图6可看出：体型1各工况的水翅高度均在2 m以上，长度均大于31.20 m，约为水翅高度的15倍，并且下凹深度在0.9 m以上，在校核洪水工况下，下凹深度达到了1.27 m，严重干扰了溢洪道的正常泄流。与体型1相比，体型2通过减少水流的对冲角度和下凹深度消减水翅高度约30%左右，但是对于水翅长度的消减作用不大，最多只消减了17%(消能设计工况)，说明体型2主要是通过减小水面的下凹深度和水翅高度消减水翅；在不同库水位下，体型3的水翅长度和下凹深度较体型2有较大程度的降低，表明体型3能更好地消减水翅，主要是通过减小水翅的长度和下凹深度实现[9]。表明体型3在消除中墩水翅方面优于体型1、2。同时随着库水位的上升，水翅的各项参数值也相应增大，表明水翅随着下泄流量增大而增大[9]。