某泄水闸面流消能试验研究

通过物理模型试验优化了泄水闸的体型布置和尺寸,满足了泄水闸的泄流能力要求,使出闸水流衔接流态顺利形成面流,妥善解决了泄水闸下游消能防冲问题,试验成果可为类似工程设计提供参考。

物理模型；泄水闸；体型；面流；泄流能力；消能防冲

1 工程概况

本工程位于广东省乳源县北部武水干流的中下游河段,是一宗以发电为主,兼有通航等综合效益的Ⅰ等大(1)型枢纽工程。工程主要建筑物有泄水闸、左岸船闸、右岸电站厂房以及两岸接头土坝等。

工程设计方案泄水闸共设9孔,单孔净宽14 m,总净宽126 m；闸底型式为开敞式平底宽顶堰,堰顶高程为60.5 m(珠基,下同),闸室顺水流方向长20.5 m；闸室下游采用面流消能形式,不设消力池(见图1)。

泄水闸设计正常蓄水位68.0 m；设计洪水标准50年一遇(P=2%),设计洪水位70.1 m,泄洪流量4 720 m3/s；校核洪水标准200年一遇(P=0.5%),校核洪水位71.87 m,泄洪流量6 650 m3/s。

图1 工程布置示意

2 模型设计与制作

2.1模型设计

水工模型按佛劳德相似定律设计为正态,水工断面模型几何比尺Lr=43.33；水工整体模型几何比尺Lr=70。

2.2水闸运行条件

1) 当上游来水流量Q<605.1 m3/s 时,泄洪闸关闭,水库维持正常蓄水位68.0 m,来水量全部通过水轮机组发电(电站最大发电流量为605.1 m3/s)。

2) 当上游来水流量605.1 m3/s≤Q≤1 450 m3/s时,水库维持正常蓄水位68.0 m,以最大发电流量605.1 m3/s 发电,多余水量通过局部开启泄洪闸下泄。

3) 当上游来水流量Q>1 450 m3/s时,随着来水流量的增大,为减小上游淹没,泄洪闸全开,此时来水流量全部经泄洪闸下泄,恢复至河道天然泄流状态。

4) 当洪水过后,河道天然来水逐步减少至停机流量1 450 m3/s 时,电站逐步关闸回蓄；当来水流量Q≤605.1 m3/s时,泄洪闸全关,恢复至正常蓄水位68.0 m,全部来水流量用于发电。

3 面流流态的形成机理

面流消能是利用泄水建筑物末端的跌坎或戽斗,将下泄急流的主流挑至水面,通过主流在表面扩散及底部旋滚和表面旋滚以消除余能的消能方式。面流消能适用于中、低水头,下游尾水较深,水位变幅不大及河岸稳定、抗冲能力强的情况。面流流态复杂多变,对下游尾水条件要求高,保证能得到纯面流的水深范围较小。面流流态与鼻坎布置形式、水头、单宽流量、下游水深及冲淤河床形态等因素有关。

目前,面流流态的水力计算已有很多经验公式,但还不够成熟,一般都要通过水力模型试验验证,以选定合适的设计方案。

4 水工断面模型试验成果[1]

4.1设计方案试验

4.1.1方案布置

①泄水闸闸底堰型为平底宽顶堰,共布置9孔闸,每孔净宽14 m,闸底高程60.5 m,闸室顺水流方向的长度为20.5 m,采用面流消能方式；②闸下的地形按照60.0 m高程模拟(见图2)。

图2 设计方案泄水闸剖面示意

4.1.2试验成果与分析

1) 在泄放设计洪水频率(P=2%)和校核洪水频率(P=0.5%)运行时,测试的闸上游水位为70.24 m和72.02 m,比设计值分别壅高0.14 m和0.15 m,不能满足泄流能力的要求。

2) 在正常蓄水位(Z=68.0 m)、水闸闸门开度e=0.25～1.5 m单独运行时,闸下游难以形成面流流态,当e≥0.5 m闸下游出现底流流态,流态较差,当闸门开度e=1.5 m时闸末跌坎下游附近区域底部流速达约4.8 m/s(桩号0+030)(见表1),对工程的安全运行极为不利,应对水闸堰型进行修改和优化。

表1 设计方案泄水闸局部开启运行流态

4.2 优化思路

针对设计方案中存在的问题,试验拟采用如下优化思路：①为了降低全开泄流时的闸上游水位,拟降低堰底高程；②为了减少水闸在较大开度开启泄流出现回复底流的可能性,拟将宽顶堰堰面下游段修改为曲线堰面；③尽量调整挑流角度,使出闸水流形成面流流态。经过多个方案试验的比较和优化后,形成了以下推荐方案。

4.3推荐方案试验

4.3.1方案布置

①在设计方案的基础上将堰顶高程由60.5 m降低至60.0 m；②在设计方案的基础上,将反弧段出口挑坎挑角由15°修改为18°,挑坎出口断面高程为58.804 m(见图3)。

图3 推荐方案泄水闸剖面示意

4.3.2 试验成果与分析

1) 泄放设计洪水频率(P=2%)和校核洪水频率(P=0.5%)流量运行时,测试的闸上游水位为70.10 m和71.91 m,设计流量运行时与设计值一致,校核流量运行时比设计值高出4 cm,壅高值在允许的超高范围内,基本满足工程设计的要求。

2) 门开度e=0.25～2.0 m运行时,出闸水流衔接流态均为淹没面流,溢流堰跌坎下游垂线流速分布均为上大下小,主流在表面,跌坎下游附近区域底部形成反向漩滚,漩滚长度在跌坎下游约15 m范围(桩号0+025～0+035),底部漩滚回流流速约0.6～1.0 m/s；

3) 闸门开度e=2.25 m泄流运行时,出闸流量较大及下游水垫加厚,出闸后形成波状流流态,跌坎下游附近区域底部形成反向漩滚不明显,闸下游河道桩号0+035底流速约1.8 m/s,出闸后水流呈波流状与下游河道水流衔接(见表2)。

表2 推荐方案泄水闸单独运行流态

5 泄水闸水工整体模型试验与分析[2]

泄水闸下游消能工体型优化后,将下游消能工体型放入整体模型中进一步试验。经船闸通航[3]和电站运行优化试验,形成了新的枢纽工程布置(见图4),在此基础上进行了推荐方案泄水闸运行试验。试验表明：

1) 泄水闸位于弯曲河道内,闸上游来流流经弯曲河道时,主流位于河道中部及左侧区域,河道右侧区域流速较小,闸上游来流运行呈现偏流,但进闸水流仍较平稳和顺畅。在泄放设计洪水频率(P=2%)和校核洪水频率(P=0.5%)流量运行时,测试的闸上游水位分别为70.12 m和71.94 m,分别比设计值壅高

图4 推荐方案枢纽工程布置

0.02 m和0.07 m,各水位壅高值在设计允许的范围之内,因此,水闸泄流能力基本可满足工程设计的要求。

2) 当水闸上游维持68.0 m水位、闸门局部开启运行时(e=0.25～2.25 m,泄流量Q=238～1 458 m3/s、闸下游水位Z为62.39～65.68 m),来流主流分布于河道左侧及中部区域,河道右侧流速较小,进闸水流仍较平稳和顺畅；出闸水流衔接流态均为淹没面流,溢流堰跌坎下游垂线流速分布均为上大下小,主流在表面,出闸后水流呈波流状与下游河道水流衔接；测试的溢流堰跌坎下游面流速较大值约为 2.0 m/s、底流速较大值约为1.04 m/s。

3) 各级洪水频率流量运行时,闸上游来流较平稳和平顺。主流分布于河道左侧及中部区域,河道左侧区域流速大于河道右侧流速,闸上游来流运行呈现偏流,但进闸水流仍较平稳和顺畅[4]。在设计洪水频率(P=2%,Q=4 720 m3/s)和校核洪水频率(P=0.5%,Q=6 650 m3/s)流量泄流运行时,闸上游前沿区域(桩号0-035)流速较大值约为3.7～4.3 m/s,闸上游区域河道右岸的流速较大值约为2.7 m/s,河道左岸的流速较大值约为2.8 m/s。在各级洪水频率流量泄流运行时,拦河水闸下游河道主流位于河道中部,主流流速V<3.8 m/s,近河道两岸区域的流速较小。

6 结语

通过物理模型试验优化了泄水闸的体型布置和尺寸,满足了泄水闸的泄流能力要求,使出闸水流衔接流态形成面流,妥善解决了泄水闸下游消能防冲问题,试验成果可为类似工程设计提供参考。

1) 水工断面模型试验表明：推荐方案将堰顶高程由60.5 m降低至60.0 m、同时堰面体型由宽顶堰修改为曲线堰后,水闸的泄流能力基本可满足工程设计要求,出闸水流衔接流态为淹没面流,出闸水流衔接流态得到了明显改善。

2) 水工整体模型试验表明：①推荐方案泄水闸受弯曲河道影响,右侧两闸孔的入流流速相对较小,但在设计洪水频率(P=2%)和校核洪水频率(P=0.5%)流量泄流运行时,拦河水闸的泄流能力基本可以满足工程设计的要求。②推荐方案水闸闸门局部开启泄流时,出闸水流衔接流态均为淹没面流,溢流堰跌坎下游垂线流速分布均为上大下小,主流在表面,跌坎下游附近区域底部形成反向漩滚,底部漩滚回流流速约0.6～1.0 m/s,出闸后水流呈波流状与下游河道水流衔接；水闸闸门全开泄流时,闸上、下游水流衔接过渡较平顺。模型试验推荐的泄水闸曲线堰体型尺寸可供工程设计参考。

3) 工程加固改造完成和运行之后,应加强拦河闸泄流运行的监测,同时密切注意拦河闸下游河道水位的变化,出现问题应及时解决,以确保工程安全运行。

[1] 陈卓英,付波.韶关武水塘头水电站工程水工断面模型试验研究报告[R].广州：广东省水利水电科学研究院,2014.

[2] 付波,陈卓英.韶关武水塘头水电站工程水工整体模型试验研究报告[R].广州：广东省水利水电科学研究院,2014.

[3] 船闸总体设计规范：JTJ 302—2001[S].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 华东水利学院主编.水工设计手册(第六卷:泄水与过坝建筑物)[M].北京：水利电力出版社,1985.

(本文责任编辑 马克俊)

付 波1,樊 锐2,陈卓英1,黄智敏1

(1.广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室,广东 广州 510635;2.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610)

Experimental Study on Surface Flow Energy Dissipation of A Release Sluice

FU Bo1，FAN Rui2，CHEN Zhuoying1，HUANG Zhimin1

(1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics Research，Guangzhou 510635，China;2. China Water Resources Pearl River Planning Surveying&Designing Co.，Ltd，Guangzhou 510610，China)

The layout and dimension of the release sluice are optimized by physical model test. The experiment can satisfy the demands of the discharge sluice’s discharge capacity and make the brake flow smoothly form surface flow. The problem of energy dissipation and erosion control can be properly solved in the discharge downstream of sluices. Test results can provide reference for similar engineering design.

physics model；release sluice；layout；surface flow；discharge capacity；energy dissipation and erosion control

2016-10-04;

2016-10-28

付波(1981),男,硕士,高级工程师,主要从事水工水力学试验研究工作。

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