基于水力学分析阿克肖水库溢洪道设计

　　摘    要：　为了验证阿克肖水库工程所设计的台阶式溢洪道的可行性, 通过水工模型试验, 验证了8种不同工况的水力学特征。结果:台阶水面呈现破碎的水面流态, 但各工况水面均在台阶边墙高度内, 没有出现大量溅出边墙的现象;消力池体型至少还有15%的富裕量, 消力池完全满足消能要求, 消力池内流态较好;各个工况下没有出现负压强, 说明驼峰堰曲线体型良好;该溢洪道台阶段各个运行工况中, 校核洪水位工况的消能率最小也达到78.74%, 其它工况均高于此值, 台阶消能效果明显。结论:本溢洪道设计方案体型合理, 各工况水流流态较好, 可以满足工程泄洪及消能要求且减小工程量。

　　关键词：　溢洪道; 台阶消能; 工况; 效果;

 

　　Abstract：　In order to check the feasibility of stepped spillway designed for Akshaw Reservoir Project, hydraulic mod-el test was conducted to study the hydraulic characteristics under eight different operating conditions, showing watersurface broken over the steps while keeping below the height of side walls, without great splash out of side wall.With a dimension margin of 15% at least, the stilling pool fully meets the energy dissipation requirements. Flow pat-tern in the pool is good without negative pressure under all operating conditions, indicating the curve of hump weiris favorable. The energy dissipation rate is 78.74% to the minimum under the check flood level condition and ishigher under any other condition. The energy dissipation effect of steps is significant, demonstrating the spillway de-sign is able to render favorable flow pattern, meet requirements of flood discharge and energy dissipation at less con-struction quantities.

　　Keyword：　Spillway; stepped energy dissipater; operating condition; effect;

　　1、 工程概况

　　阿克肖水库工程位于新疆维吾尔自治区和田地区皮山县境内, 工程坝址位于皮山河支流阿克肖河上, 距下游支流肯艾孜河汇合口3 km。是流域规划推荐皮山河支流阿克肖河上的控制性水利枢纽工程, 具有年调节性能, 工程具有灌溉、防洪等综合利用效益。

　　工程主要由拦河坝、导流兼泄洪排沙洞、溢洪道等组成。本工程的正常蓄水位2 452.00 m, 死水位2 420.00 m, 设计洪水位2 452.18 m, 校核洪水位2 454.41 m, 总库容4 395.00万m3。大坝为沥青砼心墙坝, 最大坝高57.50 m, 坝顶长度687.00 m。

　　2、 实验设计

　　模型按重力相似准则设计, 考虑模型试验的任务要求, 并结合实验室场地等条件制作模型, 采用比尺Lr=35[1,2]。模型表孔溢洪道建筑物采用有机玻璃制作, 满足糙率相似。模型试验段制作范围为:模型7.00 m, 模型制作范围总长约17.86 m。

　　溢洪道布置由进口引渠段、控制段、泄槽段、台阶式泄槽段、消力池段、出口护坦段组成。溢洪道模型及整体平面布置见图1。

　　3、 设计方案试验工况

　　结合调洪验算结果以及模型流量率定的结果, 在考虑到工程运行需要的情况下, 模型试验测验的8个工况按照表1进行水力学参数的测试工作。行洪主河道其抗冲流速应该在2~4 m/s之间, 如果按照该流速控制, 再按伊兹巴什公式[3]:

　　式中:V为河床基岩抗冲流速 (m/s) ;K为岩性系数, 一般为5~7, 这里取6;D为河床基岩当量料径, m。

　　计算得到冲刷料的当量料径D的范围在0.11~0.44 m (模型0.31~1.26 cm) , 实际采用0.30~1.00 cm。

　　表1 溢洪道试验工况一览表

　　注:驼峰堰堰顶高程2 447.00 m, 局开采用弧门底高出堰顶分别为1.0、2.0、3.0 m。

　　图1 溢洪道设计方案模型及整体平面布置图

　　4、 结果分析

　　4.1、 沿程水面线

　　试验首先对推荐体型校核洪水位2 454.41 m, 下泄224.82 m3/s的水面线进行了全面的沿程水面线测验, 观测该水面线的主要目的是判断溢洪道沿程水深的变化规律, 了解该工况的水面纵向及横向分布, 为溢洪道沿程边墙高度的确定提供重要的依据。试验对其余7个运行工况也进行了沿程水面线的测验, 总的来说, 流量越小, 水面越低。水舌溅水高度接近但没有超过校核洪水位的水面线, 所以按照校核洪水位沿程水面高度确定的边墙高, 完全可以满足溢洪道的泄水要求。

　　4.2、 水流流态

　　试验对各个运行工况进行了完整的流态观察, 观察的8个运行工况, 进口水流基本平顺, 闸室进口两侧绕流水流基本对称。对于溢洪道平面转弯段的流态来说, 由于将转弯半径做了调整, 全开流量越小, 流态越好, 从校核洪水位流态看, 基本看不到明显的弯道内外水位高差, 说明下泄水流流速和弯道半径基本匹配。明渠段水流流态较好, 虽然有弯道导致的微小折冲水流, 但随着水流的运动沿程也越来越弱, 当水流到达台阶起点时, 基本形成了稳定的流态, 这样也保障了掺气空腔的稳定通气。台阶水面呈现破碎的水面流态, 但各工况水面均在台阶边墙高度内, 除偶尔有个别水滴溅到边墙以外, 基本没有出现大量溅出边墙的现象。

　　消力池在本工程中起到至关重要的消能作用, 通过优化后的水流流态完全满足底流消能的要求, 从试验结果可以看出:对设计洪水位工况消力池流态, 消力池形成了完全意义上的底流消能水流流态;对校核洪水位工况的水流流态, 该消力池流态基本处于接近消力池发生远驱水流流态, 通过试验验证, 加大泄流量超过约15%时, 模型尚未发生远驱, 说明消力池体型至少还有15%的富裕量, 因此消力池完全满足消能要求, 消力池内流态较好。

　　4.3、 压强和流速分布

　　泄水建筑物底板时均压强是反映水流下泄时, 水流对底板的平均压强, 也是计算水流空化数的重要参数之一。试验对8个运行工况, 推荐方案体型的沿程底板压强分布进行了全面的测验, 总体情况看, 沿程压强分布正常, 特别是驼峰堰下游段, 测验的8个工况没有出现负压强, 最小的压强出现在7#测压管, 实测时均压强为3.20×9.8 k Pa, 说明驼峰堰曲线体型良好。

　　从测验的数据来分析其流速变化规律为, 同一位置处, 水位越高, 流速越大, 符合能量转化理论, 测验数据可信。从控制段~台阶末区段测验结果数据看:台阶以上实测横断面中线流速10.40 m/s, 流速不算太大, 不属于高速水流, 也不存在水流空蚀破坏, 其余工况均没有超过该流速值。

　　消力池进口段最大流速18.40 m/s, 刚好处于设置消能墩对流速的要求, 而设计洪水位工况的最大流速为12.80 m/s, 就已经完全满足要求, 从流速来看:消力池设置的消能墩是合理安全的。

　　4.4、 台阶消能率分布

　　根据试验测验资料, 对台阶的消能率进行相应的分析研究。国内外对台阶面消能率的计算方法各有不同, 计算的结果也略有差异。对8个特征工况的台阶面消能率进行分析研究, 并且定义消能率计算公式如下[4]:

　　式中:E1为上游计算起始断面的总能量, ;E2为下游计算断面的总能量, ;Z1、Z2分别为上下游断面的底部相对高程, m;h1、h2分别为上下游断面的平均水深, m;v1、v2分别为上下游断面的平均流速, m/s。

　　通过对8个不同工况对应流量的试验, 按照试验实际测验的断面平均水深, 计算出对应的断面平均流速, 得到8个不同泄流量台阶面的消能率结果见表2。

　　表2 台阶消能率计算汇总表

　　注:消能率计算基点选在68#台阶处, 高程2377.662m

　　从表2的台阶消能率数据看, 台阶的消能率与下泄单宽流量大小成反比关系, 并且为单调函数关系, 这个规律和台阶的消能机理相吻合。表2中最大消能率到达90%以上, 最小也达到78.74%。因此, 台阶消能效果明显, 采用台阶加消力池联合形式, 可以缩短消力池的长度, 减小工程量。

　　5、 结论

　　(1) 台阶水面呈现破碎的水面流态, 但各工况水面均在台阶边墙高度内, 基本没有出现大量溅出边墙的现象。在消力池体型至少还有15%的富裕量, 消力池完全满足消能要求, 消力池内流态较好;

　　(2) 通过不同的8个工况下的实验, 发现各个工况没有出现负压强, 说明驼峰堰曲线体型良好;

　　(3) 从台阶段消能率的数据分析看, 该溢洪道台阶段8个运行工况中, 校核洪水位工况的消能率最小也达到78.74%, 其它工况均高于此值。因此, 台阶消能效果明显且减小工程量;

　　(4) 溢洪道设计方案体型合理, 各工况水流流态较好, 可以满足工程泄洪及消能要求。

　　参考文献：

　　[1]SL155-2012, 模型试验规程[S].
　　[2]南京水利科学研究所.水工模型试验[M].北京:水利电力出版社, 1985.
　　[3]李炜.水力计算手册[M].北京:水利电力出版社, 2007.
　　[4]吴持恭.水力学 (第三版) [M].北京:高等教育出版社, 2004.