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洋河水库溢洪道水工模型试验研究

2020-05-14傅长锋季保群韩李明杨胜慧徐发新

水科学与工程技术 2020年2期
关键词:溢洪道冲刷体型

傅长锋,季保群 ,韩李明,杨胜慧,徐发新

(1.河北省水利水电勘测设计研究院,天津 300250;2.秦皇岛市洋河水库管理处,河北 秦皇岛 066300)

我国大型水库溢洪道多采用水工模型试验方法,验证溢洪道整体布置和泄流能力及消能防冲效果等,近几年修建、改扩建的溢洪道水力条件又多存在水流条件差、河道抗冲刷能力低等不利因素,所以,水工模型试验在溢洪道整体布置和方案选择上显得越来越重要。杨必娴,冉海林[1]通过水工模型试验对马鹿水库溢洪道设计方案的合理性进行了评价,并根据试验成果对溢洪道引渠段、陡坡泄槽段及消力池体型进行优化。吴亮,牧振伟[2]通过水工模型试验,对KLBL水电站溢洪道挑坎体型进行了改进优化,提出采用双曲扩散挑流鼻坎体型。张开玉[3]通过建立荔波平林水电站水工模型,对溢洪道运行的水力特性和体形结构进行研究,优化原有设计提出预防和控制措施。简鸿福等[4]采用模型试验验证和公式推导相结合的方法,研究了军民水库驼峰堰的过堰流态、动水压强分布和泄流能力等水动力特性。诸多的试验研究为溢洪道方案设计提供了技术支持,不仅减少了工程投资,更重要的是提高了水库工程的安全性。

洋河水库除险加固工程溢洪道[5]采用低实用堰堰型,引水渠布置在弯道上,下游采用收缩泄水陡槽以减少占地,出口采用挑流效能,溢洪道整体布置和水流边界条件相对复杂。通过建立水工模型,模拟部分库区、溢洪道引渠、堰体、泄水陡槽及挑流鼻坎结构,研究溢洪道的泄流能力、陡槽水面线、挑流鼻坎体型及下游冲刷坑安全等水力学问题,为进一步优化溢洪道整体方案设计提供了技术支持。

1 工程概述

洋河水库为大(2)型水库工程,坝址位于河北省秦皇岛市洋河干流上,控制流域面积755km2,总库容3.66亿m3。水库以防洪为主,兼顾城市供水、灌溉及发电等综合利用任务。水库枢纽由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水隧洞、西干渠放水洞、水电站及引青济秦供水工程进水口等建筑物组成[1]。溢洪道位于拦河坝左侧,为开敞式。由上游引水渠段、闸室段、陡坡泄槽段、挑坎段、尾渠段组成。水库工程为Ⅱ等工程,设计标准为100年一遇洪水,溢洪道限泄流量500m3/s;校核标准为2000年一遇洪水,溢洪道最大下泄流量4476m3/s。

引水渠段:全长约474m,桩号从引水渠进口至闸室为Y0-474~Y0+000。 其中,Y0-074~Y0-020为弯道段,弯道中心半径140m。引水渠底高程为53.00~51.50m,底宽126~70.5m;引水渠为裸露强风化花岗岩,局部破碎处采用浆砌石防护。

闸室段:闸室为钢筋混凝土结构,全长24m。闸室溢流堰总宽62.5m,共5孔,每孔净宽12.5m。中墩墩厚2.0m,墩头采用直径为2m的半圆形;溢流堰采用驼峰堰,堰顶高程53.51m,设5扇弧形钢闸门,闸门底位于堰顶最高点下游,高程为53.41m,支绞门轴设计高程60.41m。

陡坡泄槽段:全长120m,陡坡段起点高程50.31m,为矩形断面,渠底净宽由70.5m对称收缩至50m,收缩角度为5.85°,收缩段长100m;为使水流保持平顺,后接20m长的等宽段,纵坡1/50。

挑坎段:挑坎段与陡坡泄槽段末端连接,包括渥奇曲线段和挑流坎段,初始设计方案的曲线段长26.50m,抛物曲线公式y=0.01x2,挑流段长34.74m,反弧半径45m,挑坎高程43.59m,挑角为26°。

尾渠段:尾渠段底宽70m,起点高程38.31m,平均河底高程35.0m,纵坡1/400,全长420m。

2 模型设计与测试手段

2.1 模型范围与相似准则

模拟范围包括上游部分库区、溢洪道上游引渠、闸室段、泄槽段、挑流消能段、下游滩地与洋河河道。即从闸室上游至库区,长约500m,到挑流坎下游至洋河主河道,长约800m。正态模型比尺为1∶65[6]。按重力相似准则且满足几何相 似

2.2 模型设计与测试方法

工程建筑物及地形数据采用文献[5]总体平面布置图。溢洪道上游引渠采用浆砌石护面,平均糙率为0.0225,对应模型糙率为0.0112,采用水泥砂浆抹面制作,糙率控制在0.011~0.012之间;闸室段、泄槽段、挑流段为混凝土抹面,平均糙率为0.0155,对应模型糙率为0.008,采用有机玻璃制作,糙率控制在0.008~0.009,略大于实际值;上下游河道地形及铅丝石笼防护区,平均糙率0.03,对应模型糙率为0.0149,采用粗糙水泥抹面,糙率控制在0.014~0.015,可基本满足模型与原型的糙率相似。

本研究的主要量测对象包括压强、流速、流量、水位等参数。试验中采用荷兰Delft水力试验中心的P-EMS二维电磁流速仪量测沿程流速,量测精度0.005m/s。同时在上游有压圆管段安装电磁流量计,量测精度0.5%,下游安装有快速阀门,以精确控制进水流量。模型上下游沿程布置水位测针,量测精度0.1mm。

2.3 下游动床冲刷料选择

溢洪道挑坎下游消能区,采用动床模拟基岩冲刷,挑流水舌下游水垫冲刷深度采用式(1)计算,综合冲刷系数,取K=1.25,与设计值1.2相比偏于安全。

冲刷系数K值与抗冲流速V之间满足式 (2),根据冲刷系数的取值,换算得到本次试验的基岩抗冲流速指标为8.8m/s。

基岩抗冲流速与基岩散粒体冲刷直径的关系,满足式(3),根据模型试验比尺换算得到动床冲刷散粒体粒径为2~5cm,平均粒径3cm。

溢洪道挑坎下游消能区地形初始高程取35.0m。

3 溢洪道泄流能力及消能效果分析

3.1 溢洪道泄流能力验证试验及成果分析

溢洪道泄流能力试验数据如表1,特征库水位溢洪道泄流能力计算值与试验值如表2。

表1 溢洪道敞泄泄流能力试验结果

表2 特征库水位~溢洪道泄流能力计算值与试验值对比

溢洪道泄流能力通常采用综合流量系数m′表示,包含了上游库区地形、引渠长度、堰面曲线、侧收缩、闸孔开启方式等条件的影响,其值采用式(4)进行计算:

式中 Q为流量(m3/s);H为上游水位(m);B为孔口总宽(m),取62.5m;H0为溢流堰顶高程(m),取53.51m。

溢洪道综合流量系数拟合结果如图1,其拟合曲线表达式为:

图1 溢洪道流量系数拟合结果

将式(5)代入式(4)得到溢洪道上游水位~流量的经验关系曲线,如图2。

图2 上游水位与泄量拟合关系曲线

3.2 溢洪道消能冲刷试验研究

3.2.1 出口体型初始设计方案试验结果

溢洪道出口体型初始挑坎曲线如图3,反弧段半径45m,挑角26°,挑坎高程43.59m,上游渥奇曲线方程为y=0.01x2。挑流冲刷试验工况如表3,消能区下游为急流流态,河道水位对于消能区水垫深度无影响。

图3 溢洪道出口段体型优化方案

表3 溢洪道出口体型方案试验研究工况

试验表明:随着泄洪流量的增大,溢洪道出口水流挑距从11m增大到33m,下游冲刷区从出口下游5~20m,下移至15~110m。随着泄洪流量增大冲刷坑深度也逐渐加深,在校核(洪水频率0.05%)泄洪流量4476m3/s条件下,冲坑最低点高程11.7~12.0m,较初始高程35.0m、冲深约23m,两岸边墙附近最低冲刷高程19.0m,冲深约16m。

试验表明:泄量从0逐渐增大到500m3/s时,挑坎反弧内形成水跃状横轴水流,水流沿挑坎自由跌落,不能挑射。试验还观察到当挑坎内无水时,泄量在500m3/s时下泄水流在惯性作用下可以挑出去,形成挑流(泄量500m3/s定义为最小起挑流量),此时测得挑距为11.5m。

3.2.2 出口体型修正方案试验研究

鉴于在中小流量下,溢洪道水流无法正常起挑,需对出口体型进一步优化,先后进行了28°,18°,10°等3种挑角进行敏感性试验,最终提出了出口体型修正挑坎曲线,如图3。

试验方案中,反弧段底弧半径由初始方案的45m增大到90m,出口挑角由初始的28°减小到10°,上游渥奇段曲线方程由初始的修改为,出口高程仍维持在43.59m。该方案具有两个特点:①出口反弧段曲线平顺,泄槽水流水平方向动量增大,保证在小流量条件下亦可起挑;②渥奇段曲线抬升,可避免在小流量条件下出现局部负压的问题。敏感试验结果表明,该体型方案在泄洪流量200m3/s时,水流均能正常起挑,具体流态如图4。

图4 上游水位58.22m,泄洪流量200m3/s,溢洪道出口流态

将出口体型优化方案与初始方案冲刷数据汇总如表4。两者对比结果表明:

(1)两种方案在坎下消能冲刷区的位置大致相同,分布范围在坎下5~110m。

(2)在500m3/s与1000m3/s洪水条件下,消能区冲坑底部高程31~32m,两侧边墙冲刷底部高程34~35m,上述数据可作为挑坎与边墙基础防护设计参考依据。

(3)在5孔全开,设计流量3236m3/s条件下,优化方案冲坑底部高程22m,较初始设计方案抬升2m,在校核流量4476m3/s条件下,优化方案冲刷底部高程17m,较初始设计方案抬升5m。优化效果明显。

表4 两种体型方案不同泄洪条件下的消能冲刷特征值

4 结语

(1)校核洪水工况下,溢洪道泄流能力试验值与设计值相比偏小1%左右,设计采用泄量基本安全可靠。

(2)溢洪道出口挑流体型初始方案,在小流量工况下,出口反弧段出现壅水现象,水流无法正常起挑;出口挑角调整为10°,反弧半径增大到90m,同时渥奇段曲线适当抬升,在中小流量条件下,水流可顺利起挑。溢洪道出口体型优化后,在小洪水条件下,水流挑距比初始设计方案增大5~10m,在大洪水条件下,水流挑距基本与初始方案相当,分布范围在坎下5~110m。

(3)溢洪道出口体型优化方案,在水流起挑与下游冲刷两个方面,均优于初始体型方案,故推荐设计采用。

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