沈　鑫

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司， 合肥 安徽 230088)

水電站溢洪道中墩尾部水翅消減方案試驗(yàn)研究

沈鑫

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司， 合肥 安徽 230088)

摘要：水電站溢洪道中墩尾部水翅現(xiàn)象十分普遍且危害嚴(yán)重，是水利工程中研究的重點(diǎn)課題。為優(yōu)化溢洪道中墩尾部水流形態(tài)，減小水流沖擊波，采用理論分析的方法，設(shè)計(jì)了變寬度斜尾墩，并采用物理模型的形式對(duì)變寬度斜尾墩以及傳統(tǒng)尾墩形式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。從試驗(yàn)結(jié)果來看：水翅規(guī)模最大的是無尾墩方案，橢圓形和尖圓形方案能在一定程度上改善水流結(jié)構(gòu)；但水翅規(guī)模消減程度有限；而變寬度斜尾墩能有效的分散水流對(duì)沖點(diǎn)，改善水流結(jié)構(gòu)，顯著的減小水翅規(guī)模，改善流態(tài)。

關(guān)鍵詞：溢洪道；中墩尾部；水翅現(xiàn)象；水流沖擊波

在水電站溢洪道中，常常因?yàn)榉指糸l孔的需要而設(shè)置隔離中墩[1]。然而，由于中墩外側(cè)邊界的引導(dǎo)，使得被分隔的水流在中墩尾部交匯對(duì)沖，產(chǎn)生激烈的對(duì)流沖擊波[2-4]，擾亂的水流產(chǎn)生渦旋，振動(dòng)擋墻并形成水翅。水翅初生地水流對(duì)沖、震蕩，沖擊兩側(cè)邊壁，并引起水流擾動(dòng)紊亂，導(dǎo)致下泄水流流態(tài)惡劣[5]，同時(shí)對(duì)沖水流激起大量水霧，容易干擾相關(guān)的電氣設(shè)備，嚴(yán)重影響溢洪道正常穩(wěn)定運(yùn)行[6-9]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，如三山水庫(kù)水電站、天生橋水電站、老渡口水電站等水利設(shè)施就有明顯的水翅現(xiàn)象，給水電站建筑物帶來了巨大的危害。

水流運(yùn)動(dòng)本身就是一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象[10]，水翅現(xiàn)象則更加復(fù)雜，難以模擬。至今仍沒有任何軟件可以模擬計(jì)算[11-12]。因此，本文考慮以重慶市后溪河白廟子水電站為研究對(duì)象，通過理論分析，并結(jié)合幾何比尺相等的正態(tài)物理模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，詳細(xì)探討水電站溢洪道中墩尾部水翅消減方案。

1工程概況

研究示例水電站位于重慶市巴東縣羅坪鎮(zhèn)竹賢鄉(xiāng)境內(nèi)的后溪河，上離大昌鎮(zhèn)30.22 km，下距廟堂鄉(xiāng)16.65 km。后溪河是大寧河的二級(jí)支流，多年平均徑流量(1985年—2013年，下同)為75.52 m3/s,多年年均徑流量為23.81 m3，白廟子水庫(kù)正常蓄水位為546.50 m，設(shè)計(jì)下泄洪水流量(P=1%)為1 070.22 m3/s，校核下泄洪水流量(P=0.05%)為1 690.38 m3/s,白廟子水電站溢洪道平面布置圖見圖1。

圖1白廟子水電站溢洪道平面布置圖

2模型比尺與模型設(shè)計(jì)

2.1　模型比尺

考慮到模型試驗(yàn)精度與模型適應(yīng)性，本模型試驗(yàn)采用幾何比尺相等的正態(tài)模型，參考《河工模型測(cè)量》[13]中的計(jì)算方法，將各類主要比尺計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1　模型比尺

2.2　模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)在河海大學(xué)水利學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，為更好的觀察中墩附近的水流結(jié)構(gòu)，以及水流對(duì)邊壁的影響，溢洪道控制段與收縮段模型外部采用透明的塑膠板制作，模型設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2模型結(jié)構(gòu)示意圖

3方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在設(shè)計(jì)流量Q=1 228.4 m3/s的工況下，先按照傳統(tǒng)無尾墩、半圓形尾墩、尖圓形尾墩進(jìn)行放水試驗(yàn)，然后結(jié)合試驗(yàn)情況，設(shè)計(jì)新型的變寬度斜尾墩方案進(jìn)行放水試驗(yàn)，最后比較各方案試驗(yàn)結(jié)果，選擇本文推薦方案。

3.1　無尾墩方案

本方案不設(shè)置尾墩引流型式，只通過中墩進(jìn)行泄流。本方案的優(yōu)點(diǎn)是無尾墩工程，造價(jià)較省，但是該方案在中墩尾部無引流設(shè)施，水流對(duì)沖激烈，流態(tài)最為惡劣。一般僅適用于淹沒度h0/H0≥0.75 的中小型水電站。從本試驗(yàn)結(jié)果來看，無尾墩方案的實(shí)際流態(tài)也最為惡劣。因此，本文將無尾墩方案作為效果對(duì)比的基本方案。

3.2　半圓形尾墩方案

采用半圓形尾墩與中墩連接。尾墩半徑取中墩寬度值，即為4 m，尾墩高度與中墩同高(6 m)，半圓形圓心與尾墩尾部斷面中點(diǎn)連接。半圓形尾墩方案布置圖見圖3。

圖3半圓形尾墩(單位：m)

3.3　尖圓形尾墩方案

考慮通過增大尾墩收縮度來進(jìn)一步歸順、引導(dǎo)水流。將尾墩形態(tài)由半圓形改為尖圓形，在水工建筑物允許范圍內(nèi)，取最大收縮度，經(jīng)過換算可得尖圓形長(zhǎng)軸為短軸的1.71倍，由于其短軸為中墩寬度，即4 m，半長(zhǎng)軸即為3.42 m，尖圓形尾墩對(duì)稱中心與尾墩尾部斷面中點(diǎn)重合，高度與中墩同高。尖圓形尾墩方案布置圖見圖4。

圖4尖圓形尾墩(單位：m)

3.4　變寬度斜尾墩方案

如果流場(chǎng)外區(qū)的流動(dòng)有沿程壓強(qiáng)梯度或有正負(fù)加速度，則邊界層會(huì)受影響，還可能發(fā)生邊界層與邊壁的脫離，從而改變外區(qū)勢(shì)流的流動(dòng)圖形，產(chǎn)生包括水翅在內(nèi)的各種流動(dòng)現(xiàn)象。假設(shè)在中墩兩側(cè)邊界處，水流沿程減速大小可表示為[14]：

U=Cxm

(1)

式中：x為為溢洪道中軸線距離，一般以中墩進(jìn)口斷面中點(diǎn)開始，C、m均為待定系數(shù)，根據(jù)實(shí)際流場(chǎng)條件進(jìn)行多元系數(shù)回歸求解。

由于受邊界阻礙影響，水流不可能做加速運(yùn)動(dòng)，因此m肯定小于0，對(duì)于這種邊界減速流場(chǎng)，F(xiàn)alkner做了細(xì)致的研究，采用η、ψ兩個(gè)水流參數(shù)對(duì)式(1)進(jìn)行變化，得到轉(zhuǎn)換表達(dá)式：

(2)

ψ=(vUx)1/2f(η)

(3)

式中：v為水流瞬時(shí)流速；y為邊界點(diǎn)在溢洪道橫軸坐標(biāo)；f(η)為湍流表達(dá)式，由實(shí)際模型的糙率、不平整度等因素決定。

要使水流沿程減速效果達(dá)到最大，因此令dU/dx=0，代入式(2)與式(3)，聯(lián)立求解，可得到尾墩沿程厚度的表達(dá)式

(4)

令尾墩豎向邊界線函數(shù)表達(dá)式為

F(x)=ax3+bx2+cx+d

(5)

式中：a、b、c、d為待定系數(shù)。

要保證尾墩流線曲線光滑，因此要保證在取值范圍內(nèi)，dF(x)/dx=0，將式(5)代入式(2)與式(3)，可得到尾墩豎向邊界函數(shù)曲線表達(dá)式。

根據(jù)式(4)與式(5)的計(jì)算結(jié)果，尾墩寬度變化分為兩部分：第一段為水冠部分，長(zhǎng)度為1.73 m，尾墩寬度由4.0 m收縮到0.6 m，收縮角為45°；第二段為水流沖擊波部分，長(zhǎng)度為8 m，寬度為0.6 m，并保持不變。尾墩豎向邊界線函數(shù)計(jì)算結(jié)果為直線函數(shù)(a=b=0，c=0.3055)，因此易求得尾墩坡腳為17°，尾墩高度(中墩尾部斷面)為3 m。此方案考慮利用尾墩寬度的變化來分散中墩兩側(cè)水流交匯點(diǎn)的位置，使水流沿著墩子斜頂面拉開，并通過尾墩的變化，使由底到水面水流匯交后水冠被上面水體壓住，抑制水冠的形成。變寬度斜尾墩布置示意圖見圖5。

圖5變寬度斜尾墩(單位：m)

4試驗(yàn)結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)流量Q=1 228.4 m3/s的工況下，對(duì)各尾墩方案進(jìn)行放水試驗(yàn)，各方案流態(tài)對(duì)比圖見圖6，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2　各尾墩方案試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比　單位：m

圖6各尾墩方案流態(tài)對(duì)比圖

由表2和圖6可以看出：

(1) 在中墩兩邊壁處，各尾墩方案都有不同程度的壅水，其中，橢圓形尾墩方案壅水現(xiàn)象最為明顯，最大壅水水位至538.00 m，從中墩兩側(cè)水頭差來看，差距最明顯的是無尾墩和半圓形尾墩，而橢圓形尾墩和變寬度斜尾墩的兩岸水位差值則較小，在閘室內(nèi)的水面橫流也較少。

(2) 從水翅規(guī)模來看，無尾墩、半圓形尾墩與橢圓形尾墩的效果都較差，水流對(duì)沖嚴(yán)重，沖擊波規(guī)模大，而變寬度斜尾墩有效引導(dǎo)水流從尾墩頂面拉開，分散水流交匯點(diǎn)位置，有效減少兩側(cè)水流對(duì)沖強(qiáng)度，該方案在同等條件下的水翅頂部高程、水翅高度與長(zhǎng)度都明顯小于其他幾個(gè)方案，水翅現(xiàn)象程度最低，流態(tài)明顯改善。

(3) 中墩尾部?jī)蓚?cè)水流的對(duì)沖，產(chǎn)生激烈的水流沖擊波，振動(dòng)周邊擋水建筑物，導(dǎo)致水流紊亂，嚴(yán)重干擾水流下泄。從交匯處水流流態(tài)來看，無尾墩方案水流流態(tài)最為惡劣，半圓形和橢圓形尾墩對(duì)水流有一定程度的引導(dǎo)，流態(tài)有所改善，下游彎道處入口兩側(cè)水位差有所降低，但改善程度并不明顯。變寬度斜尾墩方案下，溢洪道收縮度水流對(duì)沖明顯減弱，流態(tài)紊亂度降低，這點(diǎn)從下游彎道處入口兩側(cè)水位差值明顯降低也可看出。

因此本文推薦使用變寬度斜尾墩作為最優(yōu)方案。

5結(jié)論

本文先通過理論分析，設(shè)計(jì)了變寬度斜尾墩模型，采用物理模型的方法，分析對(duì)比了該尾墩方案與傳統(tǒng)各尾墩方案的優(yōu)劣性，從試驗(yàn)結(jié)果來看，半圓形尾墩與橢圓形尾墩相比于無尾墩方案，在水翅規(guī)模和水流流態(tài)上游一定程度的改善，而采用變寬度斜尾墩方案后，水翅頂部高程、水翅長(zhǎng)度和高度都有明顯的下降，水流流態(tài)改善明顯，因此本文推薦變寬度斜尾墩作為最優(yōu)方案，本文研究成果可為同類工程提供參考。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.040

收稿日期：2015-03-11修稿日期：2015-04-27

作者簡(jiǎn)介：沈鑫(1975—)，男，安徽合肥人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水利工程方面設(shè)計(jì)工作。E-mail:287109894@qq.com

中圖分類號(hào)：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2015)04—0201—04

Experimental Study on the Reduction Scheme of Water Wing Phenomenon at the Pier Tails in Hydropower Station Spillways

SHEN Xin

(AnhuiTransportConsulting&DesignInstituteCo.,Ltd.,Hefei,Anhui230088,China)

Abstract：As one of the key issues of hydraulic engineering research, the water wing phenomenon at the pier tails in hydropower station spillways is widespread and harmful to the structures. In order to optimize the flow pattern at the pier tails in the spillways and reduce water shock waves, variable width inclined tail piers were designed by using the method of theoretical analysis, followed by the model test of the designed piers and conventional tail piers. According to the test results, the largest water wing occurs when there is no tail pier in the spillway, oval and round piers can improve the flow structure to a certain extent, but the deduction of water wing scale is limited,while the variable width inclined tail piers can effectively disperse flow hedging points, improve the structure of the flow, and significantly reduce water wing scale, therefore improve the flow pattern.

Keywords:spillway; pier tail; water wing phenomenon; water shock waves