窄縫坎挑流水舌特性及消能要求

窄縫坎挑流水舌特性及消能要求

寬尾肌肌腱消能工是一種新型消能工。中國首先采用了潘家口水庫，然后采用了大型節(jié)水項目，如龍洋峽、康乃馨、江東五強溪、巖灘、俯瞰河巖和水布崖。經過洪水的治療，寬尾肌肌腱的消能工有效。寬尾墩窄縫式挑坎不同于等寬挑坎,它是借助于邊壁的收縮,促使水流變形且形成豎向擴張和縱向拉開,加劇紊動摻氣,使水流有效碰撞,提高消能效果,減輕水流沖刷.根據長江科學院對隔河巖、水布埡工程進行的整體模型和斷面模型試驗,水流進入寬尾墩窄縫段,由于寬尾墩的斜向挑射作用,水流橫向收縮.在高流速的沖擊下,水流向前上方向運行,水面壅高,水流沿尾墩壁向上爬高,形成中間低、兩側高的“凹”面形狀.因而水翅的交匯點與沖擊波的交匯點在立面上拉開一定距離,故兩薄片中間有一個開口空腔,不斷把空氣卷入,輸送到水體內部.同時,出窄縫坎射流水舌上緣出射角及壩面泄流挑角顯著增大,水舌縱向拉開,水舌上緣射距大大增加.為使窄縫挑流在各種來流條件下實現(xiàn)充分碰撞并有良好的擴散流態(tài)滿足消能,需研究相應的窄縫體型.根據我們的試驗研究:a.邊壁的收縮應適當,兩側水流既要充分碰撞,又不使上緣水舌過分彎曲跌落打擊水舌,造成水舌挑距縮短.b.挑坎內水流沖擊波交匯碰撞,盡可能使表面水花近乎垂直地飛濺,窄縫挑流水舌成“掃帚狀”,而不使收縮角太大,窄縫太小,以致出射水流挑角增大,挑距反而縮短,入水能量集中,消能效果不好.控制水流外緣出射角35°為宜.c.水舌下緣挑距受挑坎底面控制,既要考慮射程不宜太短,否則會威脅鼻坎安全,又要考慮縱向拉開充分擴散.d.沖刷坑淺,沖坑最深點距鼻坎距離合適,虛坡(沖坑最大深度與最深點離鼻坎距離之比)小于或等于1/3.e.經碰撞后的挑流水舌不宜出現(xiàn)緊密實體水股,應充分破碎,分散成水滴,呈半透明狀,摻氣充分.1寬尾墩，窄縫，開放式干斑研究表明,矩形窄縫出口斷面比埡口“Y”形窄縫出口斷面好,故對此作進一步探討.1.1壩高ph值的計算收縮比β是窄縫出口斷面寬度b與收縮起始斷面寬度B之比,即β=b/B;收縮率n=(1-b/B)%.側收縮角α,tanα=(B-b)/(2la),la為收縮段長度.國內已建水利工程的收縮比:龍羊峽β=0.38;東江β=0.25;巖灘β=0.368;安康β=0.40;隔河巖β=0.25;水布埡β=0.25.側收縮角:五強溪α=16.6992°;龍羊峽α=7.294°;東江α=4.764°+9.462°;隔河巖α=12.68°;巖灘α=16.6992°;水布埡α=12.680°.收縮角α在7.294°～16.6992°范圍內.李桂芬等1在挑坎以上壩高P與堰上水頭H之比(P/H)為6.7～19.1的試驗條件下,提出最大收縮比的經驗公式(b/B)max=4ht=4Κ2/3(1)(b/B)max=4ht=4K2/3(1)式中:ht為相對臨界水深,ht=3√q2/ght=3q2/g????√H(H為挑坎以上水頭);K為流能比(K=q/(g1/2E2/3),其中,E為上下游水位差,q為收縮前斷面單寬流量.根據對隔河巖、東江等水利樞紐的一系列模型消能防沖試驗和幾年來原型泄洪運行資料的總結研究,在Fr=5.3～7.9時,得出了符合前述“消能要求”流態(tài)較好的最大收縮比經驗關系式:(b/B)max=(1.0～1.2)Fr1/2Κ2/3(2)(b/B)max=(1.0～1.2)Fr1/2K2/3(2)式中:Fr為收縮起始斷面佛勞德數.根據隔河巖模型試驗和原型泄洪觀測,當最高庫水位為199.24m,落差67.0m,單寬流量為241.9m3/(s·m),側墻收縮角12.68°,收縮長度20m時,以及根據東江模型試驗和原型泄洪觀測,當水位為282.0m,落差91m,單寬流量120m3/(s·m),收縮長度30m時,收縮比為0.25是合適的.1.2側收縮段長度在一定水流條件下,為使水流沿縱向擴散,相應有一個最優(yōu)的側收縮段長度.側收縮段過長,兩側水流碰撞效果差;側收縮段過短,兩側水流碰撞效果好,但水流對墩尾的水平推力過大,影響壩體結構安全.目前國內已建工程的側收縮段長度為:龍羊峽25m(右坎),25m(中坎),31.2m(左坎);東江30m;巖灘20m;五強溪20m;隔河巖20m;水布埡25m.國外阿爾曼德拉左岸溢流泄槽27.82m.側收縮段長度在20～31.2m范圍內.當收縮比β≥0.50,收縮段長度可以縮短,如李家峽β=0.70,泄槽直墻轉彎挑坎收縮段長度為16.4m.1.3水布棧巖巖石學特征目前國內工程的窄縫坎出口單寬流量為:龍羊峽484m3/(s·m),東江552m3/(s·m),隔河巖619m3/(s·m),水布埡611m3/(s·m);國外阿爾曼德拉左岸溢洪道直泄槽為620m3/(s·m).變化范圍為484～620m3/(s·m).1.4流速方向變化選擇窄縫坎挑角,除應考慮水舌射程,還應考慮空中有充分的縱向擴散,這就要求出坎水流沿豎向流速方向的變化要大,從而使水舌內緣挑距l(xiāng)1適當小,外緣挑距l(xiāng)2盡量大,又使碰撞消能盡可能大,而θ2是通過調整收縮比β及收縮率n,使外緣水舌挑角θ2保持35°左右.目前各工程運用θ2=-14°～10°,以0°居多.外緣水舌挑角θ2的形成及大小,將在下面介紹.1.5水舌縱向開口試驗成果選擇β(或n)和α,實際是合理確定b和l的問題.水布埡樞紐1/100整體模型陡槽溢洪道挑流試驗進行了收縮段長度25m,b分別為15m,7.5m,5.25m,3.75m四種窄縫出口寬度及相應β為1.0,0.50,0.35,0.25的試驗,對應上游水位397.0m,398.0m,400.85m,單孔流量2160m3/s,2291.4m3/s,2440m3/s,試驗成果見表1.試驗表明,當β=0.50時,形成不了良好的水舌縱向拉開.以上游水位398.01m,397.0m為例,縱向拉開為70m,75m,約為等寬挑坎的2倍,而β=0.35時為80～100m,β=0.25時為130～150m.β越小,縱向拉開越大,水舌外緣距離更遠.在相同坎高條件下,窄縫坎將水舌從橫向縮窄為縱向“拉開”.當β=0.25時,能滿足流量10800m3/s的消能標準要求,但在上游水位400.85m,窄縫水股外緣水舌彎曲,墩尾水股豎向沖向高度32m以上,對墩尾的水平推力將顯著增加,應加固其結構.收縮率n以百分數計,已建水利工程的收縮率n為:巖灘n=63.2;東江n=75;安康n=60;龍羊峽n=62;五強溪n=63.2;隔河巖n=75;水布埡n=75.2水舌開射角縱向開口計算根據一系列模型試驗資料,對窄縫水舌縱向拉開的挑距計算,已得到一些初步成果.對于等寬挑流鼻坎,其水舌射程按質點拋物線運動軌跡考慮(圖1),其射距公式為L=φ2Ssin(2θ1)(1+√1+aφ2Ssinθ1)(3)式中:S為上游水位至鼻坎頂水深中心點距離;a為下游水位至鼻坎頂水深中心點距離;L為水舌挑距,采取內、外緣l1,l2射距,按下游水面計算;θ1為鼻坎挑角;φ為水舌流速系數.式(3)適合于鼻坎挑角大于0°.在鼻坎挑角為0°時,根據文獻提供的θ=0°?nc=a/(S+a)=0.30?Lφ2(S+a)曲線圖,可按以下關系式求水舌挑距:L=0.98φ2(S+a)(4)用寬度為15m的等寬泄槽模型,試驗實測挑距l(xiāng)1,l2,推算出相應的φ1,φ2值(表2).在窄縫挑流射距l(xiāng)1,l2計算時參照φ1,φ2系數進行.為應用方便,計算時采用水舌中心φ,φ=(φ1+φ2)/2,則φ1=α1φ,φ2=α2φ,其中α1,α2為流速系數轉換系數,其值見表3.水舌外緣挑角,θ2當β變小而增大,在β為1.0,0.50,0.35,0.25,上游水位400.85m,398.01m,397.0m時,各種挑坎q條件下,相應下游水位220.00m,222.00m,224.05m,測得窄縫段沿程水深遞增,且因距墩末端16～40m水位變化幅度不大,自由水面坡度平緩,而在0～16m范圍內水深變化幅度大,自由水面坡度變陡、水面曲率大的這一水面形狀,我們以窄縫出口處水深為h2,而與相應等寬處或縮窄前的B處水深h1,兩者之差即為窄縫增加的水深Δh=h2-h1,并除以水深遞增段的距離la即為出射角tanθ=tan(h2-h1)/la,便得不同β和θ2的關系曲線(圖2),即以此θ2作縱向拉開計算用.為計算窄縫挑流縱向拉開距離,對水舌外緣在式(3)的基礎上增加一個出射角θ2,則得窄縫挑流縱向拉開距離l2,式(3)可寫成:l2=φ22Ssin2(θ1+θ2)[1+√1+a2φ22Ssin2(θ1+θ2)](5)式中:a2為下游水位至窄縫出口水深中心點距離;θ2為窄縫坎出射角,根據β值由圖2查出.從式(3)(或(4))與式(5)可得出水舌在下游水面落點及其在水面的拉開長度Δl=l2-l1,即Δl=φ22Ssin2(θ1+θ2)[1+√1+a2φ22Ssin2(θ1+θ2)]-φ21Ssin2θ1[1+√1+a1φ21Ssin2θ1](6)當已知等寬度鼻坎挑流水舌入水厚度δ時,因其與窄縫挑坎水舌拉開值存在倍數關系,因而可用下式計算式中:δ為等寬挑流入水厚度;kc為擴散系數(取1.0～1.1).Δl=kcδβ(7)由式(6)可以明確以下概念:θ1是控制水舌內緣挑距,θ2是控制水舌外緣挑距;θ1愈小,θ2愈大,則縱向拉開長度Δl愈大;θ1不變時(θ1在-14.4°～10°范圍),θ2愈大,則縱向拉開長度愈大;θ1+θ2在45°以下或θ2<35°較合適,否則縱向拉開長度增加緩慢.當θ1=0°,則由式(2)求出內緣l1和由式(3)求出外緣l2,即可求得水面落點及縱向拉開長度.現(xiàn)將某工程岸邊溢洪道窄縫挑流在β分別為0.50,0.35,0.25;θ1分別為0°,10°,-14.414°及相應θ2的縱向拉開長度計算結果與實測值進行比較(表4),φ2,φ1選用β=1.0時相應的鼻坎形式推算的流速系數.由上述研究、比較可知:a.本文提供的外緣出射角θ2是一個新概念,它與β的變化關系是通過一系列模型試驗得出的,該值可供設計計算選用.在挑坎至堰頂的高程P與堰上水頭H之比為5.8～9.6的試驗條件時,θ2值見表5.由于窄縫出口水深h2隨β及h1而變化,將本工程試驗值化成無量綱形式,以h2/h1為縱坐標,β轉換成1/β為橫坐標,繪于笛卡爾坐標系內(圖3),成直線關系,可得到h2=(1/β)h1,并將此值代入出射角θ2=cot[(h2-h1)/L]中,即θ2=cot[(1/β)h1-h1L]=cot(h1-βh1βL)(8)根據本工程模型試驗結果可取L≈16m,并將式(8)化簡成下式:θ2=cot[0.062?5β(h1-βh1)](9)這樣就可用式(9)計算任意收縮比β條件的θ2.b.縱向拉開長度Δl是通過水舌內、外緣入水落點求得的.其內、外緣射距l(xiāng)1,l2的計算采用φ1=0.76～0.81,φ2=0.872～0.929,所得計算結果與試驗值基本一致.說明該式是可以用的,并能滿足精度要求.3縮窄至0.25下游河床沖刷變化受窄縫收縮比的影響,縱向拉開的窄縫挑射水流,其沖刷深度隨β的變化而變化,在β=1.0,0.50,0.35,0.25的試驗條件下,其沖刷高程依次為156.0m,160.8m,165.4m,172.9m,相應沖刷深度按河床高程200.0m計,分別為44.0m,39.2m,34.6m,27.1m.縮窄至β=0.25時的沖刷較未縮窄(β=1.0)時的沖刷深度減少16.9m,相應沖坑淺38.4%.沖刷最深點離坎腳距離分別為160m,235m,270m,340m,即離鼻坎愈來愈遠.在β=0.25時較β=1.0的距離增大1倍多.這是由于被縮窄出口的那部分橫向水體“搬移”到縱向上,形成了“縱向拉開”.其拉開值與縮窄值基本一致.如縮窄比0.25,則拉開長度為4倍,所以沖刷減輕,對河床消能防沖有利.4側墻內壓力等值線分析窄縫底板上沿中心線的壓力如圖4所示,3號孔壓力隨流量增加而增大,在單孔流量22.91m3/s,最大壓力測點15位置離出口15m處,與未縮窄坎相比,壓力增大約4倍,這種差異是由于β變化使窄縫坎水深增大,自由水面曲率增大所致.圖5是寬尾墩側墻上的壓力等值線圖,側墻上最大壓力部位與底坎中心線壓力一致.在β=1.0時距墩末端27.0m處31號測點的壓力為150kPa,而在β=0.25時窄縫中部(距墩末端13m)31號測點處的壓力則為371kPa,在觀測流量范圍內,壓力普遍增大1倍多.寬尾墩側墻上的壓力比常用未縮窄坎大得多,且一分力將側墻推向下游.因此在選擇收縮比,以及墻的結構穩(wěn)定計算中應予以注意.5窄縫挑坎的設計思路a.窄縫挑流鼻坎是適用于狹谷高壩大流量泄流的新型消能工.窄縫挑坎與等寬挑坎雖然都是挑流消能工,但兩者的消能特性是有區(qū)別的.等寬挑流僅僅是下泄水流能平順地拋射出去,經空中自然摻氣、紊動和空氣阻力消耗能量后,布滿全河斷面進入下游河床,故沖刷嚴重.而窄縫挑流是利用寬尾墩側墻收縮,使兩側水流碰撞后豎立向前運動而消能,將被縮窄的那部分(大量的)過流水股“搬移”到水舌前沿成為“縱向拉開”,并由此引起水舌外緣出射角增大,因而形成了水流變形耗能,且加劇了水流紊動、水舌破碎而摻氣的耗能,使消能效果明顯增加,而沖刷顯著減少(一般比等寬挑流減少30%～55%,水布埡工程減少38.4%).可見窄縫式挑坎不失為一種新型高效的消能工.b.經窄縫收縮,水舌縱向拉開,當利用式(2)確定水流的收縮比β時,可望得到良好的消能效果.c.本文提供的