斜降收缩型导流体在水库泄流双通道中的应用

许思平,李大亮,袁翠平,詹靖东

(1.宣城市郎溪县水务局,安徽 宣城 242000;2.南京市水利规划设计院股份有限公司,南京 210012;3.扬州大学,江苏 扬州 225000)

0 引 言

文章研究的小型水库,因工程布置和调度运用的需要,设溢流堰和溢洪闸泄流双通道。为保证设计、运行安全,进一步掌握分建的溢洪闸和溢流堰水流流态,优化设计,本项目对水库的泄流双通道进行模型试验,确定流态,提出优化措施,泄流双通道的设计、运行积累了经验。

1 工程概况

1.1 水库概况

文章所研究的水库是一座以防洪、供水为主,兼顾灌溉、水生态的综合利用工程。大坝主、副坝均为均质土坝,主坝全长1589m,南侧副坝长750m,北侧副坝长1251m,坝顶高程为18.40m(黄海高程,下同)。水库死水位10.9m,死库容52.83万m3,汛限水位14.00m,兴利水位15.50m,兴利库容593万m3,采用50a一遇洪水设计,设计洪水位16.17m,300a一遇洪水校核,校核洪水位17.10m,总库容929万m3,属小(1)型水库。

1.2 泄流双通道概况

根据初步设计报告,为满足运行管理需要,水库泄流建筑物采用泄洪闸、溢流堰泄流双通道。其中,溢洪闸闸底板高程 10.5m,闸门总净宽 33m,溢流堰顶高程与汛限水位相等,即 14.0m,堰顶宽30m[1]。

经方案比选,溢洪闸和溢流堰分开布置。此方案虽占地稍大,但泄洪闸轴线顺直,水流流态较好。溢流堰轴线虽在海漫后转弯,但溢流堰流量较小,对水流流态影响较小,且分开布置便于管理区建设,方便后期管理,利于管理区景观提升。泄洪闸和溢流堰泄流双通道布置见图1。

图1 泄洪闸和溢流堰泄流双通道平面布置图

2 泄流双通道流态模型试验

2.1 模型建立

为进一步研究双通道泄流的流态,对水库的溢流堰和泄洪闸的布置进行水工模型试验。根据试验结果,提出优化措施,满足工程安全运行需要。

模型模拟范围为双通道上游水流入口段,溢流堰、泄洪闸、泄洪通道、下游部分排水河道边界为模型边界,高程为水库最高水位至下游排水河道最低水位,试验中根据情况适当调整试验范围。具体范围见图1。

2.2 试验工况的选取

模型工况的选择主要从过闸流量、下游水位及结合调度运行工况来选择。根据水库调洪验算,选取最不利工况即泄洪闸流量最大的工况,并选择该工况上下临近时段作为其他试验工况。同时考虑管理运行需要(小于5a一遇洪水仅溢流堰溢流),仅溢流堰溢流时,最大流量 106 m3/s,对应下游河道水位 7.25m。因此,本次模型试验选择以下4种工况,见表1。

表1 试验工况表

2.3 试验方法概述

试验中库水位通过三向叠梁式溢水箱控制,通过控制泄洪闸闸门和下游尾水阀的开度控制下泄流量和下游水位。在上下游达到稳定时,记录下各个闸门的开度以及电磁流量计的流量以此来进行流量校核。

双通道泄流流态通过 DPIV 和示踪液进行各工况流态采集。面层撒布示踪粒子,然后由 DPIV采集其运动轨迹,通过软件分析,得到对应部位面层流场矢量图和云图等,底部流场通过化学示踪液的流动轨迹展示。

流量通过电磁流量计计量。水位通过智能水位仪测量,同时通过刻度贴纸对照验证。流速通过流速仪测定分析。

试验时,启动供水泵,通过进水箱内的叠梁式水位调节板,使上下游河道水位达到试验工况对应水位,待水流稳定后,通过 DPIV、示踪液等采集相关试验数据,并进行初步分析,每个工况相应数据采集 2 次以上,以验证数据的稳定一致,确保数据可信度。后期数据处理过程中有疑问的数据,均进行二次试验,重新采集数据分析。

2.4 各工况流态试验结果

1)工况1:库水位 14.3m,下游河道水位 8.24m,流量 158m3/s。

2)工况2:库水位 15.13m,下游河道水位 10.21m,流量 559m3/s。

3)工况3:况库水位 16.29m,下游河道水位 12.55m,流量 574m3/s。

4)工况4:库水位 15.74m,下游河道水位 7.25m,流量 106m3/s。

经模型试验验证,在工况1～3下,溢流堰下游水流流速均较缓,泄洪闸下游水流流速较快,仅因为流量不同,同一位置流速大小有区别;同时,在下游溢流堰与泄洪闸汇合处均形成了较大范围的偏流漩涡,影响两泄洪通道的泄流顺畅;因此需要采取措施,进一步的整流,使得水流顺畅,消除下游的偏流漩涡。在工况4下,在仅有溢流堰下泄的工况下,自上而下,水流顺畅,流速较缓,水流流态较好。

2.5 本节试验总结

通过上述4个原设计工况的试验,得到以下结论:

1)双通道泄流时,因泄洪闸下泄水流流速较大,溢流堰下泄水流流速较小,泄洪闸下泄的水流会对溢流堰下泄水流产生影响。

2)双通道泄流时,在泄流的交汇处存在偏流漩涡,下游低水位时漩涡区较大,下游高水位时漩涡区较小。

3)溢流堰单独泄流时,下泄水流流态顺畅。

4)在泄流的交汇处需要进行整流优化。

3 整流措施

3.1 整流措施的选择

通过模型试验,分别选取在溢流堰和泄洪闸泄流交汇处设置导流墙、整流柱和斜降收缩型导流体,观察这三种措施下的水流流态。经现场观察,设置整流柱方案基本对流态改善无明显效果,导流墙和斜降收缩型导流体均可改善溢流堰及泄洪闸交汇处及下游的流态,但斜降收缩型导流体改善效果更明显。因此,最终采取在溢流堰和泄洪闸交汇处设计斜降收缩型导流体的整流方案。

3.2 导流体位置选择

1)位置确定方法:通过在模型上画出网格,将斜降收缩型导流体摆在不同的位置上测出断面的流速均匀度,确定斜降收缩型导流体的最佳位置,具体见图2～5。

图2 导流体位置1

图3 导流体位置2

图4 导流体位置3

图5 导流体位置4

2)试验方法:为了优选导流体的位置,采用流速均匀度作为评判指标进行评判,流速的测试断面(见图6)所示位置。试验中在汇流位置下游选取测试断面,在其上布置了七条测线,测量每条测线的 0.6 倍水深处轴向流速(近似认为 0.6 倍水深处流速为该测线平均轴向流速)。

图6 流速测试断面位置及测线位置

3)试验结果:导流体不同位置时,各测点的流速均匀度见表2。

表2 不同位置导流体下的各测点流速均匀度

根据表2流速均匀度的计算,可以看出导流体处于位置3时,流速均匀度相对较好。

3.3 设置导流体后各工况流态试验结果

试验工况和试验方法同2.2节和2.3节,具体结果如下:

工况1:库水位 14.3m,下游河道水位 8.24m,流量 158m3/s。

工况2:库水位 15.13m,下游河道水位 10.21m,流量 559m3/s。

工况3:库水位16.29m,下游河道水位12.55m,流量574m3/s。

工况4:库水位15.74m,下游河道水位7.25m,流量106m3/s。

经模型试验验证,通过设置斜降收缩型导流体,在四种不同工况下,溢流堰与泄洪闸交汇处及其下游水流流态均得到明显的改善,汇流处的偏流漩涡区消失。

3.4 本节试验总结

1)通过设置斜降收缩型导流体,泄洪闸下泄的水流对溢流堰下泄水流的影响降低。

2)通过斜降收缩型导流体,消除了在泄流的交汇处偏流漩涡。

3)通过斜降收缩型导流体,无论是泄洪闸单独泄流还是与溢流堰共同泄流,流态都较为顺畅。

4 结 论

1)原设计工况下,双通道泄流时,由于泄洪闸和溢流堰下泄水流流速偏差大,在双通道的交汇处,水流流态存在偏流漩涡。

2)原设计工况下,溢流堰单独泄流时,下泄水流能满足水流顺畅的要求。

3)通过在溢流堰和泄洪闸交汇处增加斜降收缩型导流体,泄洪闸下泄的水流对溢流堰下泄水流的影响降低,导流体消除了交汇处的偏流漩涡。

4)通过增加斜降收缩型导流体,无论是泄洪闸单独泄流还是与溢流堰共同泄流,流态都较为顺畅。