張 勇,唐聰聰,高東紅
(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆烏魯木齊830000;2.大連理工大學(xué)建工學(xué)部水利工程學(xué)院,遼寧大連116024)
某水電站表孔溢洪洞水力特性模型試驗(yàn)研究
張 勇1,唐聰聰2,高東紅2
(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆烏魯木齊830000;2.大連理工大學(xué)建工學(xué)部水利工程學(xué)院,遼寧大連116024)
通過1∶40的整體水工模型試驗(yàn),對(duì)某水電站表孔溢洪洞的泄流能力進(jìn)行驗(yàn)證。通過觀測(cè)分析各工況下表孔溢洪洞進(jìn)口控制段流態(tài)、水深、流速,得出水位~流量關(guān)系曲線以及水位~流量系數(shù)關(guān)系曲線。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并提出合理化建議,消除了泄流過程中的不利流態(tài),使泄流能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
模型試驗(yàn);表孔溢洪洞;泄流能力;關(guān)系曲線
某水電站屬大(2)型Ⅱ等工程,其主要任務(wù)是發(fā)電。水庫正常蓄水位752m,總庫容2.32億m3,調(diào)節(jié)庫容1.43億m3,裝機(jī)160MW,電站保證出力19.22MW,年平均發(fā)電量5.24億kW·h。
電站工程由攔河大壩、泄洪、引水建筑物及地面廠房等主要建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩,攔河壩為1級(jí)建筑物,溢洪洞、深孔溢洪洞為2級(jí)建筑物,發(fā)電洞及電站廠房為3級(jí)建筑物。
表孔溢洪洞布置在右岸,設(shè)計(jì)泄量776.41m3/s,校核泄量1080.33m3/s,全長約327m。表孔溢洪洞由進(jìn)口引渠段、控制段、洞身段、泄槽段、出口消能段組成,見圖1。其中各段組成為:原設(shè)計(jì)引水渠段底板高程為739m,斷面型式為梯形,底寬14m,邊坡1∶0.5??刂贫尾捎肳E S實(shí)用堰型,上游堰高p1=5.0m,堰頂高程741m,堰寬11m,中圓弧半徑R1=1.96m,上、下游圓弧半徑R3、R1分別為0.392m、4.9m,溢流堰面曲線方程為y=0.071850x1.85,堰后由1∶1的陡坡與洞身反弧段連接。洞身段全長328m,包括進(jìn)口漸變段、反弧段、洞身段。漸變段長15.0m,由11.0m× 10.0m的矩形斷面漸變成8.0m×10.0m的城門洞型斷面,圓拱中心角為120°。泄槽及出口消能段包括挑流鼻坎段和下游護(hù)坦段。挑流鼻坎長29m,反弧半徑為40m,反弧角度為39.063°,反弧分為3段,第一段角度為11.840°,第二段角度為11.167°,第三段角度為16.056°[1]。
圖1 溢洪洞布置及測(cè)量斷面圖
2.1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況
根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)和試驗(yàn)大廳的場地條件,該水電站整體水工模型試驗(yàn)按弗勞德重力相似準(zhǔn)則,并考慮阻力相似,采用整體正態(tài)模型,模型比尺為1∶40,建筑物引水渠段為P V C板制作,閘門、控制段、洞身段采用有機(jī)玻璃制作。模型設(shè)計(jì)中相關(guān)物理量見表1,特征工況下的水位、流量見表2。水工整體模型模擬范圍取引水渠段130m,直接與水庫相接。下游河道為定床,用水泥砂漿抹面,作為水位流量控制河段。其余建筑物采用有機(jī)玻璃制作,已達(dá)到建筑物糙率相似,光滑整潔,并且便于觀察水流特性。溢洪洞的控制段、漸變段、洞身段及出口泄漕段的底板均安有測(cè)壓孔,用以測(cè)量壓強(qiáng)分布規(guī)律。
表1 重力相似條件下各水力參數(shù)
表2 溢洪洞試驗(yàn)工況組合
2.2 試驗(yàn)內(nèi)容
試驗(yàn)內(nèi)容主要包括:觀測(cè)分析各工況表孔溢洪洞進(jìn)口控制段流態(tài)、水深、流速,驗(yàn)證過流能力及流量系數(shù);繪制控制段“水位~流量”、“水位~流量系數(shù)”關(guān)系曲線等;繪制控制段沿線各工況的水深、流速等;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)溢洪洞提出優(yōu)化方案。
本次試驗(yàn)共進(jìn)行了庫水位743.788~754.828m范圍內(nèi)7組不同的水位工況。
3.1 泄流能力
在不同的庫水位情況下,模型試驗(yàn)得出的溢洪洞的泄流量為95.702m3/s~1062.52m3/s,泄流能力曲線如圖2所示。由圖中可以看出在模型試驗(yàn)流量小于計(jì)算流量,隨著水位的升高流量相對(duì)差值越大,流量相對(duì)差值最大為-3.3%,泄流能力太小,達(dá)不到工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 庫水位~流量關(guān)系曲線
3.2 流量系數(shù)
溢洪洞控制段采用WE S溢流堰,堰寬11m,根據(jù)《水力學(xué)》中提出的流量系數(shù)計(jì)算公式如下[2]:
其中Q—溢洪洞過流量;c—上游堰面坡度影響系數(shù);ε、σs—分別為側(cè)收縮系數(shù)和下游淹沒系數(shù);H0—堰前總水頭,取H0=H;m—流量系數(shù)。
對(duì)于(1)式,溢洪洞內(nèi)有漸變段的存在,且洞身段較復(fù)雜,上游堰面坡度影響系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)和淹沒系數(shù)不易確定,所以將綜合起來考慮,得綜合流量系數(shù)公式如下:
得水位~綜合流量系數(shù)如圖3所示
圖3 水位~綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線
由圖中可以看出:隨著庫水位的升高,實(shí)測(cè)綜合流量系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),與標(biāo)準(zhǔn)WE S剖面型實(shí)用堰的流量系數(shù)變化規(guī)律有所不同。
3.3 流態(tài)及水面線
由于堰高較小,引水渠內(nèi)水流流速較大,水流出現(xiàn)震蕩,在引水渠護(hù)坦與溢洪洞進(jìn)口控制段連接處水流流態(tài)不均勻,出現(xiàn)漩渦,漸變段處水流交匯,水位波動(dòng)較明顯,洞身內(nèi)水流流態(tài)較平穩(wěn)。
因泄流能力較設(shè)計(jì)值小,控制段內(nèi)水面線低于設(shè)計(jì)水面線。
3.4 流速、時(shí)均脈動(dòng)壓力
在設(shè)計(jì)水位工況下,實(shí)測(cè)表孔溢洪洞內(nèi)流速分布在10.65m/s~26.51m/s。洞身沿程流速逐漸增大。
在整體水工模型中,WE S溢流堰至反弧段末端共設(shè)置13個(gè)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn),泄槽內(nèi)設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn),從壓力分布圖上看,當(dāng)水位高于設(shè)計(jì)水位752m,樁號(hào)0+000.000~0+008.000內(nèi)開始出現(xiàn)負(fù)壓,最小負(fù)壓出現(xiàn)在樁號(hào)0+004.000處,為-1.602m水柱,負(fù)壓的絕對(duì)值較小,滿足規(guī)范要求[3]。
由試驗(yàn)結(jié)果得出:在原設(shè)計(jì)方案下溢洪洞泄流能力不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),引水渠內(nèi)水流流速較大,水位波動(dòng)較大,在高水位下,會(huì)溢出邊墻,在溢洪洞進(jìn)口連接處水流出現(xiàn)漩渦,水流流態(tài)不平穩(wěn),過流效果不理想。
表孔溢洪洞在設(shè)計(jì)水位752.00m和校核水位754.71m時(shí)的試驗(yàn)實(shí)測(cè)下泄流量分別為760.494m3/s和1048.746m3/s;設(shè)計(jì)要求的下泄流量分別為776.41m3/s和1080.33m3/s,試驗(yàn)泄流能力偏小。為了使表孔溢洪洞的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求,建議引水渠底部高程降低3.0m,即引水渠底部高程由原設(shè)計(jì)高程739.00m降低為736.00m,邊坡保持不變,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容保持不變[4-6]。
4.1 泄流能力
引水渠底板高程降低后,溢洪洞的過流能力明顯加大,隨著庫水位的升高,實(shí)測(cè)流量值比相應(yīng)水位下的計(jì)算值增大,流量相對(duì)差值最大為5.2%,滿足設(shè)計(jì)要求。修改前后的水位~流量關(guān)系見圖4。
圖4 修改前后的水位~流量關(guān)系曲線
4.2 流量系數(shù)
流量系數(shù)的變化趨勢(shì)與原設(shè)計(jì)方案基本相同,也是呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在小流量情況下,修改前后的流量系數(shù)基本相同,隨著庫水位的升高,溢洪洞的過流能力明顯增大,相應(yīng)的流量系數(shù)也隨之增大。修改前、后的水位~綜合流量系數(shù)如圖5所示。
圖5 修改前后水位~綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線
4.3 流態(tài)及水面線
引水渠底板高程降低后,引水渠內(nèi)水深加大,流速減小,渠內(nèi)水流震蕩幅度大大減小,基本趨于平穩(wěn)狀態(tài)。護(hù)坦與進(jìn)口控制段連接處,水流過渡比較平順,漩渦消失。洞身內(nèi)水流流態(tài)也較為平穩(wěn)。
修改方案后,實(shí)測(cè)流量都略大于計(jì)算值,滿足設(shè)計(jì)要求,因此,在設(shè)計(jì)水位工況下,水面線與設(shè)計(jì)水面線吻合較好。洞身和泄槽邊墻高度均有一定安全余幅。
4.4 流速、時(shí)均脈動(dòng)壓力
修改后,在設(shè)計(jì)水位下,溢洪洞內(nèi)沿程流速分布范圍10.21m/s~27.24m/s。流速變化幅度不大。在試驗(yàn)工程中,從時(shí)均脈動(dòng)壓力分布圖上看:方案修改前后壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本相同。
修改方案后,當(dāng)庫水位高于設(shè)計(jì)水位752m時(shí),才開始出現(xiàn)負(fù)壓,負(fù)壓范圍為樁號(hào)0-001.562~0+ 008.000,最小負(fù)壓出現(xiàn)在樁號(hào)0+002.000,最小值為-1.698m水柱,究其原因,由于過流量增大,溢流堰流速增大,此處真空度絕對(duì)值增大,所以負(fù)壓就更小。但仍滿足規(guī)范要求。
本文通過對(duì)某水電站表孔溢洪洞進(jìn)行整體水工模型試驗(yàn),對(duì)其過流能力進(jìn)行校核,并在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案,其結(jié)論及建議如下:
(1)通過試驗(yàn)得出在原方案設(shè)計(jì)情況下,溢洪洞的過流能力不足,不能滿足設(shè)計(jì)要求,且引水渠內(nèi)水位波動(dòng)較大,使水流不能平穩(wěn)地過渡到溢洪洞內(nèi),通過方案的修改,溢洪洞實(shí)測(cè)泄流量都略大于計(jì)算值,完全滿足設(shè)計(jì)要求,此時(shí),水流流態(tài)也得到大大改善,故建議采用此修改方案施工。
(2)試驗(yàn)得出的水位~流量關(guān)系曲線,水位~綜合流量系數(shù)關(guān)系曲線,與以往工程經(jīng)驗(yàn)值的變化規(guī)律相吻合,且與計(jì)算值相近,具有一定的可信度。
(3)修改方案后,試驗(yàn)觀測(cè)了校核水位、設(shè)計(jì)水位及正常水位的水面線,與設(shè)計(jì)水面線吻合較好,結(jié)果洞身和泄槽邊墻高度均有一定安全余幅?!端に矶丛O(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279-2002)規(guī)定,高流速無壓隧洞摻氣水面線以上空間宜為隧洞斷面面積的15~25%。在校核水位下,高流速無壓隧洞摻氣水面線以上空間最小面積余幅分別為29.14%,滿足規(guī)范要求。
(4)高于設(shè)計(jì)水位752m后,溢流堰段出現(xiàn)負(fù)壓,但絕對(duì)值不是很大,滿足規(guī)范要求,通過試驗(yàn),在反弧段末端至泄漕段水流流速會(huì)超過30m/s,建議根據(jù)一定情況在挑流消能段處設(shè)置摻氣減蝕措施。
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1672-2469(2015)10-0061-03
10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.18
張 勇(1968年—),男,高級(jí)工程師。