高重力坝防冲建筑物体型参数对水力特性的影响

缑文娟,罗礼纬,李会平,潘俊丰

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072)

1 研究背景

高重力坝工程多具有“高水头、大泄量”的特点,选择合适的泄洪消能建筑物关系到水电站的正常运行和下游河道的安全。底流消能和挑流消能是目前使用最为广泛的消能方式,其消能机理和施工技术相对成熟,对该两种消能方式的研究也取得了大量成果[1]。

挑流消能是通过挑流水舌在空中掺混气体,然后水流冲击进入水垫塘,当下游塘内水垫深度足够大时,水垫对入射水流产生顶托作用,并利用水流在塘内产生极其强烈的紊动旋滚进行能量消杀的一种消能方式。众多研究者研究成果表明,冲击射流在水垫塘内的流态可视为深水垫淹没冲击射流和淹没水跃混合流态[2]。在底板附近,冲击射流受到底板限制,流线向上、下游偏折,形成水平流,冲击射流过渡为附壁射流,同时,受垂向流速梯度的影响,在附壁射流的上方形成不对称分布的旋涡区,即淹没水跃,水垫塘内水流在强烈的紊动剪切和扩散作用下,不断发生能量传递、再分配和耗散,主流流速沿程逐渐衰减[3-6]。Albertson等[7]最早研究水垫塘内的水流特性,提出射流在水垫塘扩散区域内速度的纵向分量在每个断面上符合正态分布规律;李乃稳等[8]通过水工模型试验,揭示了淹没射流区射流断面的流速分布具有典型的自由射流特征。淹没冲击射流作用于水垫塘底板的动水压力会影响底板安全,因而国内外学者对水垫塘底板压强分布的研究成果较多[9-11]。Duarte等[12]认为平底水垫塘内冲击压力符合高斯分布;张春财等[13]研究表明高坝反拱水垫塘流场内淹没冲击射流作用在底板上的动水压强沿程具有相似的分布特征,其动水压强沿程规律表现为标准正态对称分布。

底流消能是通过水跃产生表面旋滚和强烈紊动进行水流能量消杀的一种消能方式。众多学者对底流消能主要研究了消力池水跃区动水压强特性及临底流速变化规律。杨敏等[14]基于跌坎消力池模型试验,在不同来流条件下得出消力池脉动压强系数沿程先增大后减小的结论;张红梅等[15]对比了突扩式和非突扩跌坎消力池的脉动压强特性,结果表明突扩式和非突扩跌坎消力池底板脉动压强最大值均出现在池首位置,且底板脉动压强沿程减小;卢洋亮等[16]采用大涡模拟对跌坎突扩型消力池底板脉动压强分布进行了模拟,结果表明底板脉动压强均方根最大值位于消力池前部与泄槽边墙延长线附近区域,池内底流旋滚区和附壁射流区的脉动压强分布分别受涡体和流速脉动的影响;李会平[17]、洪振国等[18]通过水工模型试验,研究了消力池底板高程、跌坎等体型对消力池内临底流速沿程分布和流态的影响,结果表明,跌坎型消力池底板高程降低,则池内临底流速大幅度降低,水流扩散充分,消能效果良好。

目前,挑流消能和底流消能的消能机理已经得到广泛的研究,并提出了相应的控制指标保证消能防冲建筑物的安全运行。但是在前人的研究成果中鲜有涉及挑流消能和底流消能的联合使用。本文利用几何比尺为1∶60的水工模型,基于水工模型试验研究方法,针对挑流消能对应的一级水垫塘和二级消力池联合使用的防冲建筑物,研究不同水垫塘长度、二级消力池长度和二道坝高度分别对水垫塘内和消力池内水流的影响,分析其水力特性,讨论一级水垫塘体型参数对二级消力池水流流态的影响,为工程设计优化提供参考。

2 模型布置及试验方法

2.1 模型布置

本文依托某消能防冲建筑物水工模型开展试验研究。水工模型依据重力相似准则设计,几何比尺λl=1∶60。消能防冲建筑物包括2个中孔、3个底孔及其对应的水垫塘、二道坝和二级消力池。中孔和底孔均采用连续式挑流鼻坎,挑坎反弧半径为50 m,出口宽度为14 m,挑角为30°。试验模型布置如图1所示。

图1 水工试验模型布置

试验研究测试方法依据规范《水工与河工模型试验常用仪器校验方法》(SL 233—2016),其中时均压强采用测压管测量;脉动压强采用 YPS300 微型数字压力传感器测量,采样信号频率为200 Hz,采样时长为180 s;临底流速采用便捷式旋浆流速仪测量。

2.2 研究体型方案

基于挑流水舌的挑距,本研究选择了5种水垫塘长度和3种二道坝高度,基于水跃长度选择了3种二级消力池长度,共计14种研究方案,如表1所示。其中二级消力池尾坎高度均为5 m。试验采用上游水头Hu=199.52 m,流量Q=6 077 m3/s,下游水深Hd=12.88 m。定义长度无量纲参数ki为:

表1 试验研究体型方案表 m

ki=xi/Li(i=1,2,3)

(1)

式中:k1为水垫塘参数;x1为水垫塘起点至测点的距离;L1为水垫塘长度;k2为二级消力池参数;x2为测点至二道坝上游面坝踵处的距离;L2为二级消力池池长,取二道坝上游面坝踵处至尾坎斜坡坡脚处的距离;k3为水垫塘、二道坝和二级消力池总长度无量纲参数;x3为水垫塘起点至测点的距离;L3为水垫塘起点至尾坎斜坡坡脚处的长度。上述长度、距离的单位均为m。

3 结果与分析

3.1 水垫塘长度对水垫塘水力特性的影响

水垫塘长度影响塘内水流的流态,关系到冲击水舌引起的旋涡扩散效果,因此研究水垫塘长度对塘内水流水力特性的影响十分重要。图2为各水垫塘长度下水垫塘底板不同测线的动水压强沿程分布。图2表明,在相同上游水头不同水垫塘长度时,时均压强和脉动压强均方根的沿程变化趋势相似,这是由挑流鼻坎的体型相同,水舌入水角度和流速不变所导致[19]。水舌冲击区上游的时均压强沿程基本不变,说明水垫塘内水深较深,冲击水流对冲击区上游水体的影响有限[20]。3条测线上的脉动压强均方根分布规律存在差异,且左底孔测线的峰值最大,这是由于该测线紧邻水垫塘边墙,受边墙的限制作用,导致该区域旋涡侧向扩散不充分[21],使得脉动压强均方根峰值最大。

图2 不同水垫塘长度下水垫塘底板不同测线的时均压强和脉动压强沿程分布

表2为不同水垫塘长度下中底孔测线的底板压强差,表2中水垫塘底板压强差Δp定义为:

表2 不同水垫塘长度下中底孔测线的底板压强差

Δp=p1-p2

(2)

式中:p1为冲击区上游底板的时均压强均值,m;p2为底板时均压强谷值,m。

由表2可以看出,随着水垫塘长度的减小,水垫塘底板时均压强的谷值点和脉动压强均方根的峰值点相对位置占水垫塘总长度的比值增大,但绝对位置不变。随着水垫塘长度的减小,底板时均压强谷值略有降低,脉动压强均方根的峰值略有增大,塘内底板压强差增大。

挑流水舌斜射入深水水垫塘的基本流态如图3所示。图3显示,在水舌入水区域上、下游分别形成旋涡区和附壁射流区[21];由于二道坝的阻挡,在二道坝前形成底部旋涡区。挑流水舌射入水垫塘内,水垫塘长度缩短而导致冲击区高速水流向下游扩散时,二道坝对水流扩散产生的阻挡作用增强,并在二道坝坝前产生反向旋涡,致使水流扩散空间减小,能量更为集中,冲击区紊动加剧[22]。

图3 挑流水舌射入水垫塘的水流流态示意图

3.2 二级消力池池长对消力池水力特性的影响

为了避免携带较大动能的水流从二道坝溢出造成二道坝坝后以及下游河床和两岸边坡的冲刷破坏,在二道坝坝后设置二级消力池。图4为不同二级消力池池长下消力池底板动水压强和临底流速沿程分布(二道坝高度H1=20 m)。图4表明,在相同二道坝高度下,3种长度二级消力池底板中轴线动水压强分布规律类似。如图3所示,水流下泄时,二道坝坝后溢流面上主流流线几乎平行,随后在游池内水体的影响下,水体相互剪切,主流流线弯曲,形成水跃,可观测到明显的水流表面旋滚。消力池长度不同时,水跃区底板的时均压强、脉动压强均方根和临底流速均呈现典型水跃特征[23]。

图4 不同二级消力池池长下消力池底板动水压强和临底流速沿程分布(H1=20 m)

由图4还可看出,随着二级消力池池长的减小,跃首和收缩断面的位置几乎没有发生改变[22],脉动压强均方根的峰值略微增大,其峰值点位置相对消力池池长的比值增大,说明下游有足够水深,水跃发生的位置基本相同,但水跃下游扩散空间减小,出池时携带的紊动能增大,导致出池流速增大,出池水深稍有降低。

3.3 二道坝高度对水垫塘和二级消力池水力特性的影响

二道坝高度的变化不但影响水垫塘内水深,也影响二级消力池的水力特性,而且水垫塘内水流的能量消杀效果直接影响二级消力池内的水流流态,故此研究二道坝高度是十分必要的。图5为不同二道坝高度下水垫塘和二级消力池底板动水压强以及二级消力池临底流速沿程分布。由图5可知,不同二道坝高度下,水垫塘和二级消力池内时均压强、脉动压强均方根、临底流速的分布规律相似,说明二道坝高度变化不影响消能机理;随着二道坝高度降低,水垫塘内水垫深度减小,底板的时均压强明显降低,导致冲击射流的阻力减小[24],脉动压强均方根明显增大(最大增幅为9.05%),主流离开水垫塘时动能略有增加,但同时二道坝坝顶水面高程也随之降低,故出塘水流的势能明显降低,二级消力池水跃的收缩断面位置向上游移动,跃首区的临底流速减小,时均压强增大,脉动压强均方根减小,但出池临底流速增大。

图5 不同二道坝高度下水垫塘和二级消力池底板动水压强及临底流速沿程分布

3.4 讨 论

高重力坝防冲建筑物水垫塘、二道坝和二级消力池的体型参数影响塘内和池内水流的水力特性以及消能效果。如图3所示,水垫塘内形成了较大的射流冲击区,在水舌入射区域(冲击区)的上、下游分别形成了大的旋滚(旋涡区),水流流线的弯曲导致了底板时均压强存在明显谷值,脉动压强均方根存在明显峰值,这与文献[25]中的水垫塘内动水压强表现规律一致。当水垫塘长度从300 m减小到260 m时,水垫塘消能率稍有增大,增幅为0.76%,这是由于塘内水流扩散空间减小,使冲击区紊动加剧所致。

二级消力池的水流流态为低佛氏数水跃,呈现典型水跃特征。水跃旋滚区的水流形态主要受到大尺度横向涡的控制[26],靠近跃前断面位置的水深最小、临底流速最大。水流的能量耗散主要是由于水流的强紊动剪切作用[27],当二级消力池从80 m缩短至60 m时,二级消力池消能率略有增大,增幅为1%,这是由于水跃下游扩散空间减小,这与文献[27]中二级消力池消能率结果一致。

当二道坝高度从22 m降低至18 m时,水垫塘内消能率减小了1.4%,说明该冲击射流为深水垫淹没射流。二道坝高度的降低导致二道坝坝顶水流的势能减小,二级消力池内水流紊动剪切耗散减小,故整体的消能率仅降低了0.24%。

4 结 论

本文采用模型几何比尺为1∶60的水工模型试验方法,研究了水垫塘长度、二级消力池池长及二道坝高度对水垫塘和二级消力池内水流水力特性的影响,探讨了底板动水压强和临底流速的变化规律,主要研究结论如下:

(1)随着水垫塘长度的减小,各测线下水垫塘底板时均压强谷值降低,时均压强差Δp增大且最大增幅为27.3%,水垫塘内底板脉动压强均方根峰值也略有增大。这是由于高速水流斜射入水垫塘内后,冲击区下游旋涡的扩散空间减小,导致冲击区紊动程度增加,能量耗散略有增大。在水垫塘边墙的阻挡作用下,塘内水流侧向扩散空间减小,使得临近边墙的左底孔测线脉动压强均方根峰值最大。

(2)随着二级消力池池长的减小,水跃的水力特性基本不变,二级消力池消能率略有增大,但是由于池长缩短,水流扩散能力降低,出池的临底流速增大,使得下游冲刷破坏风险增大。

(3)随着二道坝高度的降低,底板时均压强减小,脉动压强均方根峰值增大且最大增幅为9.05%,塘内消能率略有降低。二道坝坝顶水面高程降低,出塘水流的势能减小,二级消力池水跃的收缩断面位置向上游移动,跃首区的临底流速减小,时均压强增大,脉动压强均方根减小,总消能率减小,故出池临底流速增大。