溢洪道溢流阶梯设计对水力特性影响模型试验研究

2022-12-24桂冰登

水利技术监督 2022年12期

桂冰登

(江西省水利水电建设集团有限公司，江西南昌 330200)

1 概述

溢洪道乃是水工建筑中一种重要泄洪建筑，研究溢洪道运营安全，离不开对溢流阶梯的设计分析[1-2]，获得溢洪道溢流台阶设计最优方案，有助于推动水工建筑设计水平及运营能力。王康柱[3]、杨钊等[4]为研究溢洪道结构设计特征，特别是溢洪道宽尾墩、溢流阶梯以及掺气坎等构件，采用Fluent等流场仿真方法[5]，对溢洪道沿程断面的水面线、流速、压强以及气相分布等开展了模拟计算，并以方案对比为评价依据，为工程建设提供重要依据。不仅于此，与溢洪道密切相关的消能池也是研究重点，秦海杰[6]、桂吉顺[7]对消能池进行三维流场计算，研究消能池内流速、水位、流态以及消能率等重要水力参数，评价溢洪道的设计与消能池的消能效果关联性，对溢洪道或消能池的设计优化具有重要启示意义。当然，溢洪道

与消能池工艺参数设计研究，不仅可依赖于数值计算，也可通过水工模型试验，傅长锋等[8]、李宗民等[9]通过相似比尺、相似材料等构建起与实际工程相匹配的溢洪道或消能池水工模型，根据开展的水工模型试验结果，评价溢洪道或消能池内时均压强、流速、流态等水力参数，极大丰富了此类水工建筑设计参考成果。本文为研究峡江水利枢纽二期规划工程溢洪道溢流阶梯台面角设计参数，采用水工模型试验开展了设计方案的对比分析，为工程建设提供了评判参考。

2 模型试验概况

2.1 工程概况

禾水乃是赣江在赣西南地区重要支流，全长241km，控制流域面积超过9075km2，流域内降雨丰富，物产丰盛，乃是井冈山革命老区重要水源，为地区生产生活承担着农业灌溉、生活用水、工业用水以及自然水生态调节的作用。但不可忽视，由于春夏汛期暴雨、台风等自然天气影响，导致在禾水上常形成警戒水位，特别是2020年春夏之交，禾水超过警戒水位长达3d，对禾水所在流域内生产生活带来较大影响。一方面有效开发利用水资源，另一方面防范洪水危害，为此，水利部门考虑在禾水上游、吉安市峡江县境内新建一梯级水利枢纽，并作为原峡江禾水枢纽的二期规划，图1为该水利枢纽规划重建后Lumion三维效果图。该枢纽重建规划内容包括有拦水主坝、泄洪闸以及泄流建筑等，并计划完善修建一期农业灌渠，确保水资源充分取之于民、用之于民。峡江二期规划水利枢纽新建主坝坝顶高程为258.5m，采用心墙堆筑坝结构形式，曲率半径为6.4×10-7，弯曲段与直段长度之比为1/4.5，心墙设计厚度为2.2m，全堆筑坝均为峡江县境内罗霄山脉所产的弱风化灰岩碎石与壤土，单层夯实后沉降不超过10mm。主坝所在工程场地已进行人工处理，与原有峡江水利枢纽的场地为一致性，地基承载力超过160kPa，基岩以半风化灰岩、花岗岩等为主，上覆第四系土层厚度为5.5m，泄洪闸以及泄流建筑所在持力层均与之一致，确保水工建筑承载稳定性，特别是泄洪工况下可满足上游较大水力势能的静、动水压力作用。

图1 峡江水利枢纽规划Lumion效果图

根据对峡江水利枢纽承担水功能分析，输水灌渠乃是农业灌溉的前提，规划输水干渠不仅可解决峡江、新干两县区农业灌溉，且可满足下游樟树市工业用水，为赣江中部流域水资源开发提供有效模板，规划长度为182km，全灌渠为U型衬砌结构，如图2所示，渠面宽度可达2.3m，在峡江、新干两地均设置有节制闸，调控地区过闸流量。泄洪闸、泄流建筑乃是解决吉安地区，乃至省会南昌地区防洪、洪峰过大过长的重要载体，设计泄洪闸位于主坝左侧，采用多孔泄洪形式，单孔净宽为2.6×3.6m，配置有平面钢闸门、检修闸门等，设计最大泄流量可达655m3/s，每孔闸门单独配备有液压启闭机，设计可实现智慧化水利的需求。泄流建筑一方面是保护水利枢纽的关键，而同时也是出现警戒水位泄流的关键，工程设计部门在二期建设时重点考虑该水工建筑，特别是其设计特征与下游消能池防冲降能的关联性，对峡江二期水利枢纽的高标准建设及运营提供支撑。

图2 U型衬砌结构

2.2 模型试验

为确保溢洪道泄流建筑设计最优化，采用室内模型试验方法[7，10]，设定相似比尺为60，糙率率为1.8，对峡江新水利枢纽工程溢洪道开展水工模型制作，图3为室内溢洪道模型几何设计图。本模型研究对象为溢洪道溢流面上阶梯设计参数，故溢洪道附属水工建筑进行了简化，全轴长为105.5m，全模型工程包括了收缩比为0.4的宽尾墩，位于0+36.1m处，在宽尾墩以下部分为过渡段阶梯与均匀段溢流阶梯面，共有29级，首级台阶尺寸为1×0.75m，溢流面坡度为1/0.75。为确保溢流面上气相分布，加强水工结构空蚀防护，在首级台阶前增设掺气坎，其挑角为9°，溢流面与消能池间布设有反弧段，弧度为53.13°，反弧半径为22m，下游消能池为联合消能体的主体，其底板高程为较之溢洪道堰顶降低了5.5%，为35.5m。全模型中试验水沙均按照实际禾水泥沙制备，中值粒径为1.8mm，水工模型中包括边墙、溢流面以及消能池等均采用刚性有机玻璃制作，如图4所示为上游进水口与下游消能池模型。试验中泄流工况流量比尺为18000，而溢流面以及消能池内流速比尺为7.6，静、动水压强比尺按照物理比尺计算得到为60。

图3 溢洪道模型几何设计

图4 水工模型

试验中不仅需要考虑模型制作的精确度，也需要考虑泄流水动力配置状态，试验中采用循环水源，搭配以水泵系统，可实现上、下游泄流水循环，供水系统分布简图如图5所示。另一方面，试验中所有数据监测均按照断面均匀布设的原则，在溢洪道以及消能池上均布设有传感器，时均压强布设断面如图6(a)所示，共有20个监测点，间隔为0.5m；溢流面上空腔分布反映了气液二相分布状态，对探讨溢流台阶设计影响空蚀防护有直观意义，如图6(b)所示为溢流面上空腔长度Lr计算示意，图中Ls、Lb分别为侧腔长度与底腔长度；流速监测重点设置在消能池内，如图6(c)为池内流速监测断面。所有监测传感器均为实时传输，间隔为1s。

图5 供水系统分布简图

图6 监测断面

本模型试验中为探讨溢流阶梯设计参数，从模型试验结果对比评价设计和理性，为此在保证反弧段、溢流面、宽尾墩以及消能池挑坎等水工设计参数一致的前提下，对首级溢流阶梯台面角开展分析。溢流面均匀段共有8级台阶，每级台阶高、宽尺寸均为一致，而首级阶梯台面角按照上挑与下跌两个方向，分别设定有上挑4°、8°、12°以及下跌4°、8°、12°，且设计有台面角水平0°对照组，首级阶梯台面角设置示意如图7所示。为下文方便，本文将所有台面角方案统一为下跌(-4°、-8°、-12°)、水平0°以及上挑(4°、8°、12°)共七个方案，基于各方案的模型试验结果，评价首级阶梯台面角设计参数优劣势。

图7 首级阶梯台面角示意(θ为台面角)

3 溢洪道水力特模型试验结果

3.1 时均压强特征

针对溢洪道模型试验结果，监测获得了沿程断面时均压强分布特征，共有20个断面压强变化态势，如图8所示。

图8 时均压强特征

从图中时均压强特征变化可知，台面角的上挑、下跌决定了沿程断面时均压强变化趋势：在上挑方案中，断面压强呈“平稳-递增-递减至稳定”3阶段变化，且台面角各上挑方案中峰值压强均位于同一断面5.5m处，上挑4°、8°、12°下分别为183.1kPa、222.1kPa、241.3kPa；而在台面角下跌的3方案中，断面压强呈“递增-递减-二次递增”的3阶段，即各方案中断面压强在反弧段与溢流面尾部具有二次增长态势，如在下跌4°方案中，其二次递增断面平均增幅为1.8%，而在一次增长阶段内平均增幅达4.2%。台面角0°时，其沿程断面时均压强特征与上挑方案下一致，但压强水平却介于上挑8°与12°间，峰值压强为201.4kPa，该方案下控制水力势能效果介于台面角上挑与下跌之间。分析认为，台面角设置下跌，在溢流面上易形成二次递增峰值断面，对反弧段及尾渠出流稳定性控制带来负面效果[6，11]，不利于溢流面上水力压强控制。

从压强量值水平来看，台面角下跌的3个方案峰值压强分别为237.9kPa、277kPa、331kPa，下跌角度愈大，则压强值愈高，相比之下，台面角上挑沿程压强值均低于前者，在上挑12°与下跌12°方案中，沿程压强差幅分布为19.9%～48%，压强均值差幅为11.5%。在上挑与下跌方案中，台面角每增大4°，则可引起沿程压强均值平均提高25.7%、15.7%。综合对比，分析认为台面角下跌，溢洪道沿程断面水力势能较高，形成时均压强量值水平亦较高，而台面角上挑，可使下泄水流与溢流面触水面积增大，对削弱动水势能有正面作用，因而监测获得时均压强量值较低。研讨3个台面角上挑方案可知，上挑4°、8°下压强水平较为接近，两者沿程压强差幅分布最大仅为20.2%，从沿程时均压强表现来看，此两上挑台面角均可视为较优秀方案。

3.2 空腔分布特征

根据模型试验结果获得各方案中溢洪道实测空腔有效长度变化特征，如图9所示，本文仅以溢洪道上均匀布设的10个断面开展分析，断面间距为1m。由图中可知，首级台阶台面角上挑方案下空腔分布长度高于下跌设计，如在断面5m处上挑4°方案下空腔长度为35.1cm，而下跌4°、8°、12°方案下空腔长度较之前者分别减少了14.4%、26.7%、34%；在前者上挑4°方案内溢洪道沿程断面平均空腔长度为35.4cm，而在下跌的后3者方案中沿程平均长度较之分别减少了19.6%、30.1%、37.3%；从整体方案中对比来看，当首级阶梯台面角从-12°开始递增，每变化4°，则溢洪道沿程断面空腔长度可提高10.3%。由此可知，首级阶梯台面角上挑设计优势高于下跌，有助于提升沿程断面空腔分布，对水工建筑空蚀防护有利；其次，首级阶梯上挑各方案中空腔长度与台面角均为正相关关系[10，12]。从方案比选合理性来看，在台面角上挑8°、12°方案间平均增幅仅为2.3%，特别是在溢洪道断面7～10m上空腔长度分布具有一致性，仅在断面1～5m上空腔长度才具显著差异性。因而，台面角上挑更为合理，但上挑角度控制在合理区间内更为适配，结合沿程时均压强的影响特征，上挑8°方案设计综合优势较显著。

图9 溢洪道空腔长度变化特征

4 消能池模型试验结果

进一步分析溢流面首级阶梯台面角设计参数，获得了其各方案下消能池内流场特征，图10为池内沿程监测断面流速变化特征。

依图中流速变化可知，台面角下跌时，流速水平均高于上挑方案，在池内断面4m处下跌8°方案下流速为2.76m/s，而上挑4°、8°、12°方案下流速较之分别减少了41.6%、34.9%、31.7%，而水平0°下流速相比前者也减少了22.2%。从池内流速均值可知，其与台面角为正相关关系，在台阶面-12°递增至12°各方案中，当台面角每递增4°，则池内流速分别平均提高10.3%、16%。在台面角下跌方案中，其流速具有两阶段增幅特征，在第一阶段断面0.5～4.5m内，流速增幅较低，下跌4°～12°方案内平均增幅分别为2.3%、3.1%、2.4%，而在第二阶段断面6.5～10m内，流速增幅高于第一阶段，平均增幅分别达7.4%、7.6%、7.3%。由此表明，在台面角下跌方案中，消能池出流段消能效果欠佳，出流仍具有较大动水势能，削弱了消能池防冲降能作用[13]。在台面角上挑各方案及水平0°方案内，其沿程流速均为“递增-递减”变化，在出流口具有最低流速，峰值流速均位于断面5.5m处，出流段水力势能控制较佳，有助于提高消能效率。尽管首级阶梯台面角选择上挑方案已然确定，但上挑何值还处于优化状态，从消能池内流速影响来看，在上挑8°时，流速适中，一方面有助于提升峡江水利枢纽上游排沙效果，也可减少对下游水工建筑的冲蚀作用[14]。因而，基于本文模型试验结果，评价认为首级阶梯台面角上挑8°设计优势最大。