大中型水利工程鋼結(jié)構(gòu)荷載水力學(xué)分析

大中型水利工程鋼結(jié)構(gòu)荷載水力學(xué)分析

1加固工程溢洪道設(shè)計(jì)申莊水庫位于山西省靈川縣麗市申莊村南原平河上。原平河發(fā)源于靈川縣原莊嶺，屬黃河沁河水系丹河支流。申莊水庫為跨省重點(diǎn)工程任莊水庫上游唯一的一座中型水庫,控制流域面積104.5km2,是大躍進(jìn)年代大搞群眾性建設(shè)時(shí)期興建的水利工程,大壩質(zhì)量差。2003年水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)完成。受申莊水庫管理站委托,太原理工大學(xué)對(duì)該工程改造加固設(shè)計(jì)方案中的溢洪道部分進(jìn)行水工模型試驗(yàn),對(duì)其主要水力特性進(jìn)行研究。根據(jù)工程設(shè)計(jì)的調(diào)洪演算,50年一遇設(shè)計(jì)洪水情況下,溢洪道最大泄量為554m3/s,相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位為123.12m;500年一遇校核洪水情況下,溢洪道最大泄量為906m3/s,相應(yīng)校核洪水位為124.96m。溢洪道布置如圖1所示,分為控制段、泄槽段和挑流段等三段:①控制段:樁號(hào)0+000～0+018m。溢流堰為開敞式寬頂堰型式,堰頂高程118.4m,堰長18m,凈寬36m。單孔凈寬9m。②泄槽段:樁號(hào)0+018～0+115m。泄槽段包括水平轉(zhuǎn)彎段、收縮段和直線段。其中,水平轉(zhuǎn)彎段:樁號(hào)0+018～0+025m。底板頂高程118.4m。轉(zhuǎn)彎段凈寬40m,中心軸線長7.0m,中心線轉(zhuǎn)彎半徑20m,轉(zhuǎn)角20°,橫斷面為矩形;收縮段:樁號(hào)0+025～0+095m。進(jìn)口寬40m,出口寬30m,中心軸線長為70m,底坡為12%,橫斷面為矩形;直線段:樁號(hào)0+095～0+115m。中心線軸長20m,底坡1∶3,橫斷面為寬30m的矩形斷面。③挑流段:樁號(hào)0+115～0+130m,挑坎段長10.0m,護(hù)坦長5.0m。挑坎挑角25°,挑坎末端高程為103.88m。申莊水庫改造加固工程,溢洪道設(shè)計(jì)建在巖基上,泄槽段包括水平轉(zhuǎn)彎段、收縮段和直線段。這樣布置的出發(fā)點(diǎn)是因地制宜的,但急流彎道流態(tài)平穩(wěn)是導(dǎo)流墻能否滿足水面線高度和下游消能防沖能否滿足設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵,需要通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。若由于彎道水流的影響,泄槽內(nèi)水流不滿足設(shè)計(jì)要求,可通過模型試驗(yàn)提出改善水流條件的工程措施,使其水流流態(tài)達(dá)到一個(gè)較為理想的效果,為工程的進(jìn)一步設(shè)計(jì)及實(shí)施提供依據(jù)。2特定雷諾數(shù)根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地及供水條件,模型幾何比尺確定為:λl=40λl=40模型采用正態(tài)模型,按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。其他各比尺如下:流速比尺:λv=λ1/2l=6.32λv=λl1/2=6.32流量比尺:λQ=λ5/2l=10119.29λQ=λl5/2=10119.29模型最小雷諾數(shù)滿足紊流限制條件。依據(jù)阻力、慣性力相似要求,模型糙率比尺為:λn=1.85λn=1.85原型溢洪道為混凝土、底板分縫,平均糙率約為0.016,則要求模型糙率為0.0086。模型采用有機(jī)玻璃加工,一般優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃板的糙率為0.008～0.009之間,可見全部模型用有機(jī)玻璃制作能滿足阻力相似要求。3原計(jì)劃的結(jié)果和分析3.1設(shè)計(jì)水位、校核水位流量曲線實(shí)測(cè)模型庫水位與溢洪道泄流量的關(guān)系見圖2。實(shí)測(cè)模型庫水位與溢洪道泄流量的關(guān)系曲線按冪函數(shù)擬合后,方程為:Q=37.604H1.7373Q=37.604Η1.7373式中:Q為溢洪道泄流量,m3/s;H為庫水位與溢洪道堰頂高程(118.4m)之差,m。擬合相關(guān)系數(shù)為0.9989,試驗(yàn)點(diǎn)與擬合曲線吻合良好。從該水位流量曲線可知:模型溢洪道在設(shè)計(jì)水位及校核水位下對(duì)應(yīng)泄量分別為557m3/s和987m3/s。比原設(shè)計(jì)方案下的設(shè)計(jì)流量554m3/s和校核流量906m3/s都大?？梢娫O(shè)計(jì)方案流量系數(shù)m取值偏小。3.2過閘墩后,下槽面為單一面的單寬流量,在一定根據(jù)模型試驗(yàn)的水流運(yùn)動(dòng)觀測(cè)可知:進(jìn)口段右岸為直墻,左岸為R=5m的圓弧翼墻,從而導(dǎo)致右岸進(jìn)流平順,左岸進(jìn)流有側(cè)向流速存在,在進(jìn)口段左右岸流態(tài)不對(duì)稱;水流進(jìn)入控制段后,水面寬度收縮,水深降低;過閘墩后,很快進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段,此時(shí),右岸水深急劇增加,在轉(zhuǎn)彎段的中后部達(dá)到最高;水流進(jìn)入陡坡段后,整個(gè)陡坡段均呈現(xiàn)右岸水深大于左岸水深的趨勢(shì),同時(shí)在泄槽中出現(xiàn)了明顯的不對(duì)稱沖擊波現(xiàn)象,從右岸0+025斷面至左岸反弧附近,橫穿整個(gè)泄槽,并在泄槽中形成明顯的分界線;沖擊波在左岸反弧段處還形成一水翅,其位置隨流量的增加而向上游發(fā)展。由于沖擊波和轉(zhuǎn)彎的影響,整個(gè)泄槽單寬流量沿橫斷面很不均勻,右岸大,向左岸逐漸減小。圖3所示為流量為554m3/s時(shí)的左右岸水面線。3.3軸線流速隨平面流速的變化由試驗(yàn)結(jié)果可知:①由于泄槽段底坡依次變陡,且有收縮段,所以流速隨樁號(hào)的增加而增加;②在同一平面上,受沖擊波的影響,一般情況下軸線流速較大,兩岸較小,基本上呈不對(duì)稱分布;③在垂直分布上,一般表面流速大于底部流速;④挑坎處(樁號(hào)0+125)設(shè)計(jì)和校核流量下,斷面平均流速分別為14.3m/s和15.0m/s。3.4挑坎左前挑坎處沿挑坎單寬流量不均勻,水流起挑時(shí)從挑坎右側(cè)開始,逐漸發(fā)展到全斷面;而終挑時(shí),首先從挑坎左側(cè)收挑進(jìn)而發(fā)展至全部挑坎。起挑流量為38～100m3/s,終挑流量為64～32m3/s。挑坎處右岸挑距大于左岸挑距,尤其小流量時(shí)更為明顯。溢洪道挑流段在設(shè)計(jì)和校核流量時(shí),挑坎以下2m處,挑距分別為24.0m和26.4m。3.5關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)調(diào)整(1)原設(shè)計(jì)方案溢洪道的實(shí)際泄洪能力要大于設(shè)計(jì)值,應(yīng)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)做調(diào)整,節(jié)省投資。(2)彎道水流導(dǎo)致右岸水面線超出導(dǎo)水墻、泄槽內(nèi)產(chǎn)生不對(duì)稱沖擊波、流量及流速不均勻,進(jìn)而在挑坎處單寬流量和挑距不均勻,也使挑流消能效果受到較大的影響。4流態(tài)分析及優(yōu)化措施產(chǎn)生上述流態(tài)的主要原因乃是彎道慣性離心力的作用,彎道布置不能適應(yīng)水的慣性作用。根據(jù)美國陸軍工程兵團(tuán)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),簡(jiǎn)單圓曲線式的彎道最小半徑應(yīng)滿足下式:Rmin=4V2B/gyRmin=4V2B/gy如將彎道起始斷面樁號(hào)0+018m的實(shí)測(cè)平均流速V=5.57m/s、平均水深y=2.76m,泄槽寬度B=40m代入上式計(jì)算,則Rmin=183.3m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑20m,所以不可避免地出現(xiàn)上述流態(tài)。受地形、地質(zhì)條件的限制,為了避免過大的開挖,筆者試圖在維持原設(shè)計(jì)方案布置格局的基礎(chǔ)上,在泄槽內(nèi)采取一些水流流態(tài)調(diào)整措施,來改善溢洪道的水流條件。根據(jù)國內(nèi)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),克服急流彎道沖擊波問題,常采用底部橫向超高、復(fù)曲線彎道、挑流坎及分隔墩等形式。由于本工程泄槽彎道緊接閘后,轉(zhuǎn)彎半徑太小,底部橫向超高和復(fù)曲線彎道都不能有效地改變水流狀態(tài),故在模型中首先作了橫向挑流坎試驗(yàn)比較,期望消減沖擊波及均化水流。申莊水庫溢洪道原布置流態(tài)不良,除了由于彎道布置引起的原因外,左岸導(dǎo)墻,從控制段進(jìn)口至泄槽收縮段末,邊界變化很大也是一個(gè)原因。為了減少溢洪道開挖工程量和改善流態(tài),故又做了變導(dǎo)墻布置試驗(yàn)方案。4.1探索型濃度水文水化通過對(duì)挑流坎的數(shù)量、高度及形狀反復(fù)比較后,最后確定以圖4所示的方案布置較佳。在樁號(hào)0+025m處設(shè)挑流坎一道,坎高度從右岸0.8m線性降至左岸0.0m,長度為40m,剖面為矩形。試驗(yàn)表明,水流出彎曲段以后,底部水流受到挑流坎的阻擋而挑向左側(cè),使得左岸水深明顯增加,設(shè)計(jì)流量時(shí)樁號(hào)0+038m斷面的水深由原布置的0.83m增加到1.04m,兩岸水深差由2.03m降至1.40m。但坎上水流稍有沖擊右岸山坡,水深較原布置稍有增加,達(dá)0.36m(坎高增加到1.2m,1.8m時(shí),收效也不很顯著)。不過0+038m以后的陡坡上水流比較平順,樁號(hào)0+119.5m(消能段)兩岸水深差由0.88m降至0.44m,鼻坎水深和挑射射程均趨均勻。橫向挑流坎布置改善了泄槽大部分流態(tài),調(diào)整了溢洪道泄槽內(nèi)的橫向水流,沖擊波影響大幅減少,工程量小。缺點(diǎn)是挑流坎對(duì)水流產(chǎn)生新的擾動(dòng),挑流坎處水流紊亂,有可能發(fā)生氣蝕。4.2兩岸深水差對(duì)比平面布置圖如圖5。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在設(shè)計(jì)流量情況下樁號(hào)0+058m以上泄槽內(nèi)的水流流態(tài)有較大的改善,樁號(hào)0+038m斷面兩岸水深差由原來的2.03m降至1.32m,水流也較為平順。但在樁號(hào)0+068m以下泄槽內(nèi),兩岸水深相差加大,在0.88～2.76m之間,流態(tài)改善不太明顯。在校核流量下,樁號(hào)0+068m以下泄槽內(nèi)不對(duì)稱沖擊波現(xiàn)象有所改善。5未端加挑流坎方案比選溢洪道原設(shè)計(jì)布置方案與在泄槽彎道未端加挑流坎和改變泄槽導(dǎo)墻布置3種方案試驗(yàn)結(jié)果比較如圖6和表1所示。可以看出,在泄槽彎道未端加挑流坎方案的兩岸水深差最小,水流更趨于均勻,挑坎處的流速及單寬流量也趨于均勻,較好地改善了挑流消能效果。所以,彎道末端布置橫向挑流坎(坎高0.8m)的方案較優(yōu)。6橫向挑流坎方案改善彎