基于水力學(xué)分析阿克肖水庫溢洪道設(shè)計(jì),水力學(xué)論文

基于水力學(xué)分析阿克肖水庫溢洪道設(shè)計(jì),水力學(xué)論文摘要：為了驗(yàn)證阿克肖水庫工程所設(shè)計(jì)的臺階式溢洪道的可行性,通過水工模型試驗(yàn),驗(yàn)證了8種不同工況的水力學(xué)特征。結(jié)果:臺階水面呈現(xiàn)破碎的水面流態(tài),但各工況水面均在臺階邊墻高度內(nèi),沒有出現(xiàn)大量濺出邊墻的現(xiàn)象;消力池體型至少還有15%的富有量,消力池完全知足消能要求,消力池內(nèi)流態(tài)較好;各個工況下沒有出現(xiàn)負(fù)壓強(qiáng),講明駝峰堰曲線體型良好;該溢洪道臺階段各個運(yùn)行工況中,校核洪水位工況的消能率最小也到達(dá)78.74%,其它工況均高于此值,臺階消能效果明顯。結(jié)論:本溢洪道設(shè)計(jì)方案體型合理,各工況水流流態(tài)較好,能夠知足工程泄洪及消能要求且減小工程量。本文關(guān)鍵詞語：溢洪道;臺階消能;工況;效果;Abstract：InordertocheckthefeasibilityofsteppedspillwaydesignedforAkshawReservoirProject,hydraulicmod-eltestwasconductedtostudythehydrauliccharacteristicsundereightdifferentoperatingconditions,showingwatersurfacebrokenoverthestepswhilekeepingbelowtheheightofsidewalls,withoutgreatsplashoutofsidewall.Withadimensionmarginof15%atleast,thestillingpoolfullymeetstheenergydissipationrequirements.Flowpat-terninthepoolisgoodwithoutnegativepressureunderalloperatingconditions,indicatingthecurveofhumpweirisfavorable.Theenergydissipationrateis78.74%totheminimumunderthecheckfloodlevelconditionandishigherunderanyothercondition.Theenergydissipationeffectofstepsissignificant,demonstratingthespillwayde-signisabletorenderfavorableflowpattern,meetrequirementsofflooddischargeandenergydissipationatlesscon-structionquantities.Keyword：Spillway;steppedenergydissipater;operatingcondition;effect;1、工程大概情況阿克肖水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)皮山縣境內(nèi),工程壩址位于皮山河支流阿克肖河上,距下游支流肯艾孜河匯合口3km。是流域規(guī)劃推薦皮山河支流阿克肖河上的控制性水利樞紐工程,具有年調(diào)節(jié)性能,工程具有灌溉、防洪等綜合利用效益。工程主要由攔河壩、導(dǎo)流兼泄洪排沙洞、溢洪道等組成。本工程的正常蓄水位2452.00m,死水位2420.00m,設(shè)計(jì)洪水位2452.18m,校核洪水位2454.41m,總庫容4395.00萬m3。大壩為瀝青砼心墻壩,最大壩高57.50m,壩頂長度687.00m。2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型按重力類似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),考慮模型試驗(yàn)的任務(wù)要求,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室場地等條件制作模型,采用比尺Lr=35[1,2]。模型表孔溢洪道建筑物采用有機(jī)玻璃制作,知足糙率類似。模型試驗(yàn)段制作范圍為:模型7.00m,模型制作范圍總長約17.86m。溢洪道布置由進(jìn)口引渠段、控制段、泄槽段、臺階式泄槽段、消力池段、出口護(hù)坦段組成。溢洪道模型及整體平面布置見圖1。3、設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)工況結(jié)合調(diào)洪驗(yàn)算結(jié)果以及模型流量率定的結(jié)果,在考慮到工程運(yùn)行需要的情況下,模型試驗(yàn)測驗(yàn)的8個工況根據(jù)表1進(jìn)行水力學(xué)參數(shù)的測試工作。行洪主河道其抗沖流速應(yīng)該在2~4m/s之間,假如根據(jù)該流速控制,再按伊茲巴什公式[3]:式中:V為河床基巖抗沖流速(m/s);K為巖性系數(shù),一般為5~7,這里取6;D為河床基巖當(dāng)量料徑,m。計(jì)算得到?jīng)_刷料的當(dāng)量料徑D的范圍在0.11~0.44m(模型0.31~1.26cm),實(shí)際采用0.30~1.00cm。表1溢洪道試驗(yàn)工況一覽表注:駝峰堰堰頂高程2447.00m,局開采用弧門底高出堰頂分別為1.0、2.0、3.0m。圖1溢洪道設(shè)計(jì)方案模型及整體平面布置圖4、結(jié)果分析4.1、沿程水面線試驗(yàn)首先對推薦體型校核洪水位2454.41m,下泄224.82m3/s的水面線進(jìn)行了全面的沿程水面線測驗(yàn),觀測該水面線的主要目的是判定溢洪道沿程水深的變化規(guī)律,了解該工況的水面縱向及橫向分布,為溢洪道沿程邊墻高度確實(shí)定提供重要的根據(jù)。試驗(yàn)對其余7個運(yùn)行工況也進(jìn)行了沿程水面線的測驗(yàn),總的來講,流量越小,水面越低。水舌濺水高度接近但沒有超過校核洪水位的水面線,所以根據(jù)校核洪水位沿程水面高度確定的邊墻高,完全能夠知足溢洪道的泄水要求。4.2、水流流態(tài)試驗(yàn)對各個運(yùn)行工況進(jìn)行了完好的流態(tài)觀察,觀察的8個運(yùn)行工況,進(jìn)口水流基本平順,閘室進(jìn)口兩側(cè)繞流水流基本對稱。對于溢洪道平面轉(zhuǎn)彎段的流態(tài)來講,由于將轉(zhuǎn)彎半徑做了調(diào)整,全開流量越小,流態(tài)越好,從校核洪水位流態(tài)看,基本看不到明顯的彎道內(nèi)外水位高差,講明下泄水流流速和彎道半徑基本匹配。明渠段水流流態(tài)較好,固然有彎道導(dǎo)致的微小折沖水流,但隨著水流的運(yùn)動沿程也越來越弱,當(dāng)水流到達(dá)臺階起點(diǎn)時,基本構(gòu)成了穩(wěn)定的流態(tài),這樣也保障了摻氣空腔的穩(wěn)定通氣。臺階水面呈現(xiàn)破碎的水面流態(tài),但各工況水面均在臺階邊墻高度內(nèi),除偶然有個別水滴濺到邊墻以外,基本沒有出現(xiàn)大量濺出邊墻的現(xiàn)象。消力池在本工程中起到至關(guān)重要的消能作用,通過優(yōu)化后的水流流態(tài)完全知足底流消能的要求,從試驗(yàn)結(jié)果能夠看出:對設(shè)計(jì)洪水位工況消力池流態(tài),消力池構(gòu)成了完全意義上的底流消能水流流態(tài);對校核洪水位工況的水流流態(tài),該消力池流態(tài)基本處于接近消力池發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)水流流態(tài),通過試驗(yàn)驗(yàn)證,加大泄流量超過約15%時,模型尚未發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū),講明消力池體型至少還有15%的富有量,因而消力池完全知足消能要求,消力池內(nèi)流態(tài)較好。4.3、壓強(qiáng)和流速分布泄水建筑物底板時均壓強(qiáng)是反映水流下泄時,水流對底板的平均壓強(qiáng),也是計(jì)算水流空化數(shù)的重要參數(shù)之一。試驗(yàn)對8個運(yùn)行工況,推薦方案體型的沿程底板壓強(qiáng)分布進(jìn)行了全面的測驗(yàn),總體情況看,沿程壓強(qiáng)分布正常,十分是駝峰堰下游段,測驗(yàn)的8個工況沒有出現(xiàn)負(fù)壓強(qiáng),最小的壓強(qiáng)出如今7#測壓管,實(shí)測時均壓強(qiáng)為3.209.8kPa,講明駝峰堰曲線體型良好。從測驗(yàn)的數(shù)據(jù)來分析其流速變化規(guī)律為,同一位置處,水位越高,流速越大,符合能量轉(zhuǎn)化理論,測驗(yàn)數(shù)據(jù)可信。從控制段~臺階末區(qū)段測驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)看:臺階以上實(shí)測橫斷面中線流速10.40m/s,流速不算太大,不屬于高速水流,也不存在水流空蝕毀壞,其余工況均沒有超過該流速值。消力池進(jìn)口段最大流速18.40m/s,恰好處于設(shè)置消能墩對流速的要求,而設(shè)計(jì)洪水位工況的最大流速為12.80m/s,就已經(jīng)完全知足要求,從流速來看:消力池設(shè)置的消能墩是合理安全的。4.4、臺階消能率分布根據(jù)試驗(yàn)測驗(yàn)資料,對臺階的消能率進(jìn)行相應(yīng)的分析研究。國內(nèi)外對臺階面消能率的計(jì)算方式方法各有不同,計(jì)算的結(jié)果也略有差異。對8個特征工況的臺階面消能率進(jìn)行分析研究,并且定義消能率計(jì)算公式如下[4]:式中:E1為上游計(jì)算起始斷面的總能量,;E2為下游計(jì)算斷面的總能量,;Z1、Z2分別為上下游斷面的底部相對高程,m;h1、h2分別為上下游斷面的平均水深,m;v1、v2分別為上下游斷面的平均流速,m/s。通過對8個不同工況對應(yīng)流量的試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際測驗(yàn)的斷面平均水深,計(jì)算出對應(yīng)的斷面平均流速,得到8個不同泄流量臺階面的消能率結(jié)果見表2。表2臺階消能率計(jì)算匯總表注:消能率計(jì)算基點(diǎn)選在68#臺階處,高程2377.662m從表2的臺階消能率數(shù)據(jù)看,臺階的消能率與下泄單寬流量大小成反比關(guān)系,并且為單調(diào)函數(shù)關(guān)系,這個規(guī)律和臺階的消能機(jī)理相吻合。表2中最大消能率到達(dá)90%以上,最小也到達(dá)78.74%。因而,臺階消能效果明顯,采用臺階加消力池聯(lián)合形式,能夠縮短消力池的長度,減小工程量。5、結(jié)論(1)臺階水面呈現(xiàn)破碎的水面流態(tài),但各工況水面均在臺階邊墻高度內(nèi),基本沒有出現(xiàn)大量濺出邊墻的現(xiàn)象。在消力池體型至少還有15%的富有量,消力池完全知足消能要求,消力池內(nèi)流態(tài)較好;(2)通過不同的8個工況下的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)各個工況沒有出現(xiàn)負(fù)壓強(qiáng),講明駝峰堰曲線體型良好;(3)從臺階段消能率的數(shù)據(jù)分析看,該溢洪道臺階段8個運(yùn)行工況中,校核洪水位工況的消能率最小也到達(dá)78.74%,其它工況均高于此值。因而,臺