李佳綸

臺(tái)階式溢洪道體型設(shè)計(jì)及摻氣減蝕優(yōu)化試驗(yàn)研究

李佳綸

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

根據(jù)三塘溝水庫(kù)基本情況，建立水工模型試驗(yàn)得出原設(shè)計(jì)方案無(wú)法滿足下泄流量要求，通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)口體型進(jìn)行調(diào)整后可安全下泄設(shè)計(jì)流量，臺(tái)階起始端兩側(cè)通氣孔摻氣效果明顯，第4級(jí)臺(tái)階開(kāi)始摻氣充分，原設(shè)計(jì)摻氣位置設(shè)計(jì)合理，所有運(yùn)行工況下，水流空化數(shù)最小值為0.29，故該工程不會(huì)發(fā)生空化空蝕破壞。體型修改方案和空化數(shù)的計(jì)算可為類型工程提供參考。

臺(tái)階式溢洪道；體型優(yōu)化；摻氣減蝕；空化數(shù)

近年來(lái)，我國(guó)的水利水電工程建設(shè)技術(shù)取得了重要突破，建成了三峽、小浪底、南水北調(diào)工程等一批具有世界水平的工程[1]。泄水建筑物作為樞紐工程中較重要的組成部分，通常引起設(shè)計(jì)人員的重視，但通常采用理論公式計(jì)算出的結(jié)果無(wú)法真實(shí)反映泄水建筑物運(yùn)行時(shí)的真實(shí)工況，因此需通過(guò)水工模型試驗(yàn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，能夠較真實(shí)地觀測(cè)出建筑物的流態(tài)、流速、水面線等水力學(xué)參數(shù)，提出優(yōu)化措施，為設(shè)計(jì)人員提供參考[2]。

1 模型試驗(yàn)

1.1 工程概況

三塘溝水庫(kù)位于位于烏魯木齊市及昌吉市以南，距離兩市均約40 km處的頭屯河中游，為瀝青砼心墻砂礫石壩，壩頂高程984.25 m，防浪墻高1.2 m，壩頂寬8.0 m，大壩建基面高程為884.00 m，壩高100.25 m，壩頂長(zhǎng)201.26 m，上游坡比為1∶2.5，下游坡比為1∶2.2。

開(kāi)敞式溢洪道位于大壩右岸，按100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核。溢洪道采用直線布置，堰軸線與大壩軸線夾角為153.53°，為開(kāi)敞式正槽岸邊溢洪道，設(shè)閘門控制。溢洪道包括進(jìn)水渠、控制段、泄槽和消能防沖設(shè)施四部分組成，總長(zhǎng)305.21 m?？刂贫我缌餮呃?扇6 m×4.0 m（寬×高）的弧型閘門控制，控制段后35m為漸變段，漸變段后等寬15 m，泄槽采用矩形斷面，縱坡24.6%，消能防沖設(shè)施采用底流消能。

1.2 模型設(shè)計(jì)與制作

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，根據(jù)委托方對(duì)模型試驗(yàn)的任務(wù)要求，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地等條件，經(jīng)雙方商定后，采用比尺Lr＝60。流量比尺Qr=Lr5/2=27885.5，流速比尺Vr=Lr1/2=7.746，時(shí)間比尺Tr=Lr1/2=7.746，糙率比尺Nr=Lr1/6=1.979。模型試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 溢洪道水工模型試驗(yàn)布置圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 泄流能力分析

從表1中的測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)庫(kù)水位為校核洪水位時(shí)，模型實(shí)測(cè)的泄流量為1188.88 m3/s，比設(shè)計(jì)泄流量1240.8 m3/s小4.18%，說(shuō)明校核洪水位泄流量不滿足設(shè)計(jì)。同樣對(duì)于設(shè)計(jì)洪水位978.59m和正常蓄水位978.49m來(lái)說(shuō)，其泄流量也分別小于設(shè)計(jì)值3.44%和3.19%，故應(yīng)調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)墻線型，改善進(jìn)口水流流態(tài)，使水流更加順暢，以達(dá)到增加下泄流量的目的。

表1 原設(shè)計(jì)方案各特征庫(kù)水位的試驗(yàn)實(shí)測(cè)流量表

1.3.2 摻氣效果分析

試驗(yàn)按照原設(shè)計(jì)方案的摻氣槽位置，在0+084.33位置的臺(tái)階左右兩邊設(shè)置通氣孔，當(dāng)庫(kù)水位在校核洪水位時(shí)，摻氣空腔穩(wěn)定，空腔長(zhǎng)度為4個(gè)臺(tái)階距離，見(jiàn)圖2。由于水流摻氣充分，故模型臺(tái)階水流呈現(xiàn)為乳白色。對(duì)設(shè)計(jì)洪水位來(lái)說(shuō)，摻氣空腔依然穩(wěn)定，長(zhǎng)度基本和校核洪水位相同，故原設(shè)計(jì)方案摻氣位置設(shè)置合理，摻氣空腔穩(wěn)定。

圖2 溢洪道水工模型試驗(yàn)布置圖

2 模型調(diào)整

2.1 模型體型調(diào)整

新設(shè)計(jì)方案主要是將溢洪道縱向線型進(jìn)行了調(diào)整，其中：從閘室進(jìn)口到達(dá)漸縮段末端0+050.30之間依然保持原設(shè)計(jì)體型不變。從0+050.30位置向下，一直到達(dá)溢洪道末端，新方案還是保持原設(shè)計(jì)中心線不變，且泄水建筑物寬度依然為20 m。從0+064.82～0+083.43為半徑30 m的正圓弧曲線；0+083.43～0+125.73是臺(tái)階段，臺(tái)階比降i=1∶0.9；0+125.73～0+144.63為半徑30 m的反圓弧曲線；然后與i=1∶10的輸水渠連接，輸水渠樁號(hào)0+144.63～0+214.63；后接1∶3比降陡坡0+214.63～0+264.63；消力池從0+264.63～0+304.63；為了便于模型試驗(yàn)修改優(yōu)化，在新設(shè)計(jì)體型制模時(shí)，將新設(shè)計(jì)方案消力池從設(shè)計(jì)的40 m長(zhǎng)變?yōu)?0 m，其他位置按照新設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型的加工和制作。通過(guò)對(duì)新設(shè)計(jì)方案校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位的試驗(yàn)，可以看出，正圓弧、臺(tái)階、反弧以及輸水渠道水流都比較順暢，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 摻氣減蝕試驗(yàn)

由于臺(tái)階面上的水流在不同單寬流量時(shí)，其流態(tài)不同[3-5]。消能機(jī)理也不同，臺(tái)階面流態(tài)較為復(fù)雜。當(dāng)單寬流量較小時(shí)，水流呈舌狀跌落水流，消能形式基本類似多個(gè)小跌水連續(xù)消能。隨著單寬流量的逐漸增大，舌狀跌落水流向滑移水流轉(zhuǎn)化，而臺(tái)階面在滑移流條件下，水流的能量主要通過(guò)水流在臺(tái)階面上的裂散、摻氣以及主流和底部漩渦之間的紊動(dòng)交換實(shí)現(xiàn)消能。文獻(xiàn)[6-7]認(rèn)為，臺(tái)階面上的滑移流按摻氣特征可以劃分為3個(gè)區(qū)域，即非摻氣區(qū)、摻氣發(fā)展區(qū)和充分摻氣區(qū)。在非摻氣區(qū)和摻氣發(fā)展區(qū)，由于該區(qū)段水流沒(méi)有摻氣或摻氣不充分，試驗(yàn)觀察到其水體為透明或半透明形態(tài)。鑒于臺(tái)階面在臺(tái)階的突出點(diǎn)高速水流通過(guò)時(shí)，有可能出現(xiàn)負(fù)壓，從而引起空化空蝕破壞。加上臺(tái)階面的壓強(qiáng)變化梯度大，為了保證其安全正常的運(yùn)行，應(yīng)該考慮臺(tái)階面的摻氣減蝕問(wèn)題。

按照設(shè)計(jì)要求，通氣孔設(shè)置在第一個(gè)臺(tái)階位置。由于在正圓弧末端的切線斜率（i=1∶1.2）緩于臺(tái)階段的坡度（臺(tái)階坡度i= 1∶0.9），所以該處設(shè)置通氣孔不需要專門設(shè)置摻氣挑坎，體型本身就相對(duì)于設(shè)置了一個(gè)i=1∶0.144的摻氣挑坎，自然具有摻氣挑坎的作用，這一點(diǎn)也得到試驗(yàn)的證明。校核洪水位工況的摻氣空腔流態(tài)見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，其摻氣空腔穩(wěn)定，摻氣充分，各特征工況的摻氣孔通風(fēng)量見(jiàn)表2。

2.3 空化數(shù)分析

對(duì)于臺(tái)階面以下流速較大區(qū)段而言，依然是最容易發(fā)生水流空蝕破壞的位置，因此必須對(duì)其水流的空化數(shù)進(jìn)行分析，給設(shè)計(jì)提供必要的參考依據(jù)。通過(guò)對(duì)推薦的拋物線體型沿程流速分布和沿程壓強(qiáng)的試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)，按照水流空化數(shù)計(jì)算公式：

表2 特征運(yùn)行工況的摻氣孔通風(fēng)量表

表3 臺(tái)階面以下溢洪道水流空化數(shù)計(jì)算結(jié)果

式中：σ為水流空化數(shù)；ha為大氣壓強(qiáng)水柱高m，（ha=10.33-）；h0，v0為斷面的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)水柱高m和實(shí)測(cè)斷面流速m/s；hv為水的汽化壓強(qiáng)水柱高，在t=20℃時(shí)，hv=0.24 m；g為重力加速度m/s2；Z為工程所在位置的海拔高程m。

進(jìn)行水流的空化數(shù)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3的計(jì)算結(jié)果看，所有運(yùn)行工況下，水流空化數(shù)最小

3 結(jié)語(yǔ)

由于本工程地基承載力較高，地基處理的目的主要是控制沉降和消除液化，減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)在控制沉降上都能達(dá)到較好的效果，但需要采取其它消除液化的措施。在采取圍封消除液化情況下，減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)可以和圍封板樁采用同樣設(shè)備施工，避免設(shè)備的二次進(jìn)場(chǎng)，節(jié)省工程投資。

龍津閘站已于2015年12月底完工驗(yàn)收，運(yùn)行良好，采用減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)效果，無(wú)論從地基處理效果，還是經(jīng)濟(jì)上都非常具有優(yōu)勢(shì),對(duì)于類似工程地基處理有很好的借鑒作用。

[1]汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶新津片區(qū)河口治理及綜合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告［R］.上海：上海海洋地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)有限公司，2008年9月.

[2]SL 265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[3]JGJ 79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[4]JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.值為0.29。根據(jù)以往研究成果和工程運(yùn)行實(shí)踐成果，認(rèn)為當(dāng)水流空化數(shù)小于0.22時(shí)，應(yīng)考慮采取摻氣減蝕工程措施，避免空蝕破壞的發(fā)生。按照此標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為該工程不會(huì)發(fā)生空化空蝕破壞。

3 結(jié)論

本文通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)三塘溝水庫(kù)臺(tái)階式溢洪道的體型、泄流能力、摻氣效果、空化數(shù)等進(jìn)行了研究分析。通過(guò)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原方案設(shè)計(jì)和校核工況下其泄流量也分別小于設(shè)計(jì)值3.44%和3.19%，溢洪道泄流能力不滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行體型調(diào)整，調(diào)整后的溢洪道正圓弧、臺(tái)階、反弧以及輸水渠道水流都比較順暢，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。最后對(duì)溢洪道水流的空化數(shù)進(jìn)行分析可知，溢洪道不會(huì)產(chǎn)生空蝕破壞。

參考文獻(xiàn)

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Experimental Study on Optimization of Corrosion of Stepped Spillway Shape Design and Aeration Reduction

Li Jialun
（XinjiangWater Resources and Hydropower Surveyand Design Institute,Urumqi 830000,Xinjiang）

Accordingtothe basic situation ofSantanggou reservoir,the hydraulic model test was carried out tofind that the original design scheme could not meet the requirement of discharge flow.After adjusting the inlet size of the inlet model,the design flowrate could be safely vented.Gas effect is obvious,the fourth level began to fully aerated,the original design aeration location design is reasonable,all operatingconditions,the minimum number of cavitation cavitation 0.29,sothe project does not occur cavitation cavitation damage.The calculation ofthe bodymodification scheme and the cavitation number can provide reference for the type engineering.

Stepped spillway；size optimization；Aeration and erosion reduction and Cavitation number

TV651.41

B

1673-9000（2017）02-0103-02

2016-02-04

李佳綸（1983-），男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究工作。