韓守都,劉韓生,吳寶琴

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆 烏魯木齊 830000;2.水利部西北水利科學(xué)研究所,陜西 楊凌 712100)

布侖口水庫攔河壩為澆筑式瀝青混凝土心墻壩,最大壩高 35m,共有兩個泄水建筑物,左岸布置一岸邊溢洪道,右岸設(shè)有一導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞,都采用底流消能。設(shè)計泄洪流量 201.4m3/s,施工導(dǎo)流設(shè)計流量153m3/s。導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞的消力池體型見圖1,其上游接有壓洞,下游接退水渠,將水流導(dǎo)入河床。

該工程整體水力學(xué)模型試驗(模型比尺1∶40)的結(jié)果表明,導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞消力池中會形成遠(yuǎn)驅(qū)水躍,不能滿足工程要求。設(shè)計工況的流態(tài)見圖2。

圖1 消力池尾坎位置體型(單位:高程m,其余cm)

圖2 尾坎未上移時設(shè)計工況形成的遠(yuǎn)驅(qū)水躍

遠(yuǎn)驅(qū)水躍是常見的水力學(xué)現(xiàn)象[1-8],常用的處理措施較多,主要有:①消力墩。設(shè)置消力池消力墩可以提高消能率,穩(wěn)定消力池流態(tài),一般用在弗勞德數(shù)較小、流速較低的情況,不適合本工程情況。②降低底板高程。這是一種有效的措施,缺點是增加工程量。③提高消力池前的擴散程度。這實際上是減小第一共軛水深,加寬消力池寬度,降低單寬流量。這種解決問題的措施仍以增加工程量為代價。④加高尾坎。這實際上是通過提高第二共軛水深來解決問題,副作用是加劇了消力池的尾水跌落程度,對退水渠流態(tài)不利。以上措施皆有不同程度的副作用,有必要尋求新方法。試驗表明,通過控制尾坎位置能夠消除遠(yuǎn)驅(qū)水躍[9],但這種措施目前研究的較少。為此,本文設(shè)計了1∶40水力學(xué)模型試驗,提出將尾坎往上游移動5m,將尾坎始段位置與漸變段始段錯開,旨在避免遠(yuǎn)驅(qū)水躍,解決消力池的消能問題。

1 消力池尾坎位置試驗

1.1 試驗方案

如圖1所示,控制尾坎位置實際是將尾坎的位置與消力池后的扭面漸變段始端錯開,即保持漸變段體型及位置不變,將尾坎始段位置往上游移動,要求尾坎的高程及高度不變。試驗采取了3種試驗方案,分別將消力池尾坎始段位置往上游移動15.0m,7.5m和5.0m。試驗的目的是決定尾坎的始段位置往上游移動的距離L,這是一種減少工程量的措施,L越大,工程量減少得越多。

2.2 試驗結(jié)果

a.試驗方案1。將導(dǎo)流洞消力池尾坎在高度不變的情況下向上游移15.0m,設(shè)計水位時躍首位于池首上游11.2m(沿1∶6.4斜坡),躍末位于尾坎處;總體看消能水體不足,水躍不完整,池內(nèi)水躍段水面波動較大,設(shè)計工況的流態(tài)見圖3。

圖3 尾坎上移15.0m時設(shè)計工況形成的水躍

b.試驗方案2。在方案1的基礎(chǔ)上尾坎下移7.5m,即較原方案尾坎上移7.5m。設(shè)計水位時,躍首位于池首上游9.5m,水躍較完整。設(shè)計工況的流態(tài)見圖4。

圖4 尾坎上移7.5m時設(shè)計工況形成的水躍

c.試驗方案3(推薦方案)。將導(dǎo)流洞消力池原設(shè)計尾坎上移5.0m。該方案設(shè)計水位時,躍首位于池首8.2m,躍末位于池首下19.6m,水躍完整,水流基本穩(wěn)定,水面波動相對較小,作為推薦方案設(shè)計工況流態(tài)見圖5。各個工況水躍躍首位置見表1,所有工況均避免了遠(yuǎn)驅(qū)水躍,躍首均在池首上游的順坡上,呈現(xiàn)折坡消力池流態(tài)[10]。

圖5 尾坎上移5.0m時設(shè)計工況形成的水躍(單位:mm)

表1 推薦方案躍首位置、水躍尾部水面高程及漸變段始端的水面高程

上述試驗說明,控制尾坎位置可以解決遠(yuǎn)驅(qū)水躍問題,3組試驗尾坎位置不同,但都避免了遠(yuǎn)驅(qū)水躍,躍首也都在消力池上游的坡上,這樣能夠以較短的消力池達(dá)到消能的目的。另外,尾坎的位置對水躍有較大的影響,L過大水躍流態(tài)不良,而L過小不能起到控制遠(yuǎn)驅(qū)水躍的作用,對于本工程L取5.0m滿足要求,既能避免遠(yuǎn)驅(qū)水躍,又能形成良好的水躍形態(tài)。這種措施不僅解決了消能問題,也無副作用,不僅沒有增加工程量,還稍減少了工程量,可以作為解決消力池問題的首選措施。

2.3 試驗結(jié)果分析

推薦方案水躍后水面線為降水曲線(圖5),設(shè)計工況水躍尾部水面高程高達(dá)3268.80m,而漸變段始端的水面高程只有3266.80m,可見由于尾坎往上游移動5.0m,使得躍后水深增加2.0m,從而避免了遠(yuǎn)驅(qū)水躍。各種工況的水躍尾部水面高程及漸變段始端的水面高程見表1,可見水躍尾部水面高程均高于漸變段始端水面高程,躍后水深均提高,均避免了遠(yuǎn)驅(qū)水躍,使流態(tài)滿足工程要求。

消力池下游的擴散漸變段固然是為了與退水渠銜接,但它的存在也降低了水面高程,導(dǎo)致產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍,將尾坎上移,實際上就是避免漸變段降低躍后水深,以此避免遠(yuǎn)驅(qū)水躍。

3 消能效果分析

表2列出了推薦方案各工況的躍首、躍尾流速及消能率,可見消能情況良好,與躍首流速比較,躍尾流速大幅降低,流速值均在 2.5 m/s以下,閘門局部開啟時的躍尾流速更低,不足1.70m/s。至于消能率,全都超過50%,閘門局部開啟的消能率很高,大于75%。閘門局部開啟的消能情況遠(yuǎn)勝于閘門全開,原因是閘門局部開啟的水躍首部弗勞德數(shù)高得多,正常水位下,工作閘門1/2開度、1/4開度的水躍首部弗勞德數(shù)高達(dá)7.3和11.0。

表2 推薦方案躍首位置流速、躍尾流速及消能率

4 結(jié) 語

布侖口水電站導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞的消力池中出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍,常規(guī)的處理方法均有不同程度的副作用,本文通過1∶40水力學(xué)模型試驗,提出將尾坎往上游移動5.0m,將尾坎始段位置與漸變段始段錯開,提高躍后水深,這種措施可以使消力池形成良好流態(tài),解決消能問題,它不僅不增加工程量,還可稍減少工程量。

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