曲面貼角窄縫鼻坎水力學模型試驗研究

曲面貼角窄縫鼻坎水力學模型試驗研究

1壩體結(jié)構(gòu)形式彎曲的角和窄縫的鼻角是一種收縮的消能工。除了傳統(tǒng)的窄縫鼻子邊的優(yōu)點外，還具有低邊緣墻（鼻角的末端邊緣墻的高度通常為1.3）的優(yōu)點。穩(wěn)定性好，對大小流量適應性強，舌水分散，低邊緣間隙穩(wěn)定（舌水穿越工作臺或土壤保護），耐磨性好，磨損深度淺等優(yōu)點。曲面貼角鼻坎已成功應用到龍羊峽溢洪道、東風水電站溢洪道、洪家渡泄洪洞等大型水利工程的泄水建筑物上。但是,這種鼻坎在大壩中孔上應用較少,本文結(jié)合張河灣抽水蓄能電站下水庫攔河壩水力學模型試驗,對其中孔直邊墻窄縫鼻坎和曲面貼角窄縫鼻坎進行了對比研究。試驗結(jié)果表明,曲面貼角窄縫鼻坎應用在具有中等佛氏數(shù)水流的攔河壩中孔上是合理可行的。2主要建筑物泄水情況張河灣抽水蓄能電站下水庫位于河北省石家莊市井陘縣測魚鄉(xiāng)境內(nèi)的甘陶河干流上。電站總裝機容量1000MW,主要擔負冀南電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)相和事故備用任務(wù)。張河灣抽水蓄能電站下水庫工程為Ⅰ等工程,主要建筑物為(1)級建筑物,最大壩高77.35m。泄水建筑物包括左、右2個溢流表孔,4個中孔,左、右2個泄水底孔和1個沖砂底孔,對稱集中布置在攔河壩中部的河床段(見圖1)。泄水建筑物按100a一遇洪水設(shè)計,下泄流量為4570m3/s;1000a一遇洪水校核,下泄流量為7610m3/s。各特征工況庫水位與泄水建筑物泄量分配見表1。3河道下護坦下天然河口鋪砂及鋪設(shè)模型按重力相似準則設(shè)計,長度比尺Lr=60。各泄水建筑物均用有機玻璃制作。上游截取壩軸線以上庫區(qū)長度約450m,下游河道從護坦末端(樁號下0+090.0m)以下取556m,其中動床長度390m,其后166m為定床,下游兩岸地形制作高程至438m。消能區(qū)岸坡430m高程以下以動床鋪設(shè),河床鋪砂高程為420m。下游動床以天然散粒體沙石模擬河床基巖,按設(shè)計提供的河床基巖允許抗沖流速V=5m/s,根據(jù)伊茲巴什公式計算模型沙當量粒徑為8～15mm。4試驗對象的直接壁和狹窄鼻溝4.1直邊墻防洪墻內(nèi)管道設(shè)計4個泄流中孔位于泄水建筑物中部,有壓段出口尺寸均為7.5m(寬)×8.5m(高),設(shè)弧形工作門和平板事故門,進口底坎高程460.5m,原方案采用直邊墻窄縫鼻孔消能,末端樁號為下0+060.000m。中孔縱剖面詳見圖2。鼻坎收縮段長20.0m,由7.5m收縮到2.2m,收縮比為0.293,挑角為0°。4.2孔流狀態(tài)下流量試驗實測中孔在校核洪水位泄流量為4826m3/s,比設(shè)計計算值4730m3/s大2.0%;設(shè)計洪水位泄量為3779m3/s,比設(shè)計計算值3810m3/s小0.8%。試驗率定值與設(shè)計計算值相近。在孔流狀態(tài)下中孔流量的計算公式為:Q=μA2gH0?????√(1)Q=μA2gΗ0(1)式中Q為流量值,m3/s;μ為流量系數(shù);A為出口斷面面積,m2;H0為進口底板高程以上水頭,m。當庫水位在474m以上時,中孔流量系數(shù)μ為0.614～0.814,設(shè)計和校核洪水位相應流量系數(shù)分別為0.748和0.814。4.3窄縫鼻坎起始斷面和表流速設(shè)計洪水位中孔有壓段出口斷面中線處底流速為15.66m/s,水深中部流速為14.80m/s,表流速為14.76m/s,平均流速為15.0m/s,流速分布底部較大,向上逐漸減小。窄縫鼻坎起始斷面(底板樁號下0+040.00m)近底流速為11.82m/s,水深中部流速為21.89m/s,表流速為24.24m/s。鼻坎出挑斷面垂向流速以中上部位相對較大,為23.0～23.5m/s,出挑平均為22.23m/s。4.4窄縫消能工良流態(tài)設(shè)計在設(shè)計和校核工況,中孔泄槽內(nèi)水流平順,橫向水面差較小。水舌在豎向和縱向擴散較充分,呈光滑片狀,設(shè)計水位時縱向拉開長度達到60m左右,為鼻坎以上水頭的1.3倍。設(shè)計洪水位中孔水舌形態(tài)見圖3。窄縫消能工良流態(tài)的特點是水流摻氣明顯,水舌在空中幾乎全被擴散成水股,射入尾水的水舌由近到遠流量逐步增大。本工況中孔水舌雖然擴散充分,但沒有擴散成離散的水股。這是因為在設(shè)計洪水位中孔全開泄洪工況下,窄縫鼻坎邊墻收縮起始端水流佛氏數(shù)Fr=3.0,而根據(jù)系列模型試驗研究認為窄縫鼻坎的水流Fr為4.5～10.0時,挑射水流才具有良好的縱向擴散形態(tài)。原方案中孔窄縫收縮比為0.293,末端邊墻高度為18.14m,設(shè)計水位時末端水深為18.44～19.04m,已超過邊墻頂高程0.3～0.9m。如果減小收縮比,勢必使鼻坎邊墻進一步加高,給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來更大的問題。4.5河道沖淤情況設(shè)計工況底孔和中孔水舌上緣入水處分別在下0+157.4m和下0+134.0m,從水舌入水斷面至下游0+230m范圍為主消能區(qū),該區(qū)域河道水面摻氣漩滾劇烈,水位壅高,在兩岸邊形成回流。由于地形條件的不同,右岸回流強度較弱,而左岸邊回流一直上溯至護坦內(nèi)又形成橫向流。從樁號下0+230m以后,壅高水面急劇降落,河道流速加大。消能區(qū)最深沖坑位于河床中部,沖坑底高程為404.8～405.5m,沖深為14.5～15.2m;左、右岸最大沖深分別為12.5m和10.5m;護坦末端左半邊被淘刷13.2m,而右側(cè)因岸邊回流將部分沖刷質(zhì)回帶而呈淤積狀。沖刷區(qū)下游淤積體幾乎占據(jù)河床寬度,最大淤高至428.8m。整個河道呈現(xiàn)沖淤范圍大且平坦的特點。若中孔采用等寬鼻坎挑流消能,根據(jù)沖刷區(qū)基巖的特征,取綜合沖刷系數(shù)k=1.1,估算設(shè)計水位下的沖深約為24.2m。原方案直邊墻窄縫鼻坎沖刷較等寬挑坎減輕約37%,但仍不能滿足實際工程的消能防沖要求。5試驗中的角凹陷、窄縫和鼻板5.1鼻坎的調(diào)整方案曲面貼角窄縫鼻坎的理想水流佛氏數(shù)Fr為2.9～7.0。中孔鼻坎前水流佛氏數(shù)在設(shè)計工況時為3.0,校核工況時為3.2,均在此范圍之內(nèi)。為降低鼻坎邊墻的高程,提高消能防沖效果,隨后進行了曲面貼角窄縫鼻坎方案的優(yōu)化試驗。通過幾個方案鼻坎的修改優(yōu)化試驗,最終推薦的曲面貼角窄縫鼻坎體型見圖4。以半徑11.5m的底弧銜接堰面和鼻坎。鼻坎邊墻和貼角的收縮圓弧半徑分別為30.292m和9.041m,收縮起點在0+049.176m,鼻坎末端樁號仍為0+060.000m。出口寬度3.5m,收縮比0.467,出口邊墻高度6.23m。在鼻坎底部設(shè)順坡底槽,其底坡為1∶25,由1.2m擴散到3.5m,兩側(cè)墻上加設(shè)直徑0.5m的通氣孔。貼角體的曲面ABC為斜圓柱面的一部分,BC為直線,曲線AB在底坡上為半徑9.041m的圓弧,該圓弧在水平面上的投影為橢圓弧。以平行于底坡的任一平面與曲面ABC相交,交線均為半徑9.041m的圓弧。5.2收縮邊墻或貼角的近底部校核設(shè)計試驗實測了推薦鼻坎邊墻及貼角體上的壓力分布,并繪制了等壓線圖(見圖5)。壓力最大位置在收縮邊墻或貼角的近底部,設(shè)計與校核工況分別為34.30×9.81kPa和23.98×9.81kPa,分別占該處總水頭(不計水頭損失)的57%和61%。曲面貼角窄縫鼻坎邊墻低,貼角體的迎水面是傾斜曲面,水壓力方向垂直曲面指向兩側(cè)下方,故受力狀態(tài)好。5.3鼻坎流速特征曲面貼角鼻坎底板樁號下0+040.00m斷面中線流速值與直邊墻窄縫鼻坎方案接近。出口斷面中線垂向流速底部為24.33m/s,中部為24.70～25.02m/s,表面為23.72m/s,出挑平均值為24.24m/s。由圖6可見,同水位曲面貼角鼻坎流速值均大于直邊墻窄縫鼻坎。校核水位鼻坎出挑中線平均流速為26.06m/s,底部與表面流速值比中部略大。設(shè)計到校核水位之間曲面貼角鼻坎末端垂向流速分布比較均勻。5.4水舌擴散程度測定結(jié)果曲面貼角窄縫鼻坎設(shè)計洪水位水舌形態(tài)見圖7。與直邊墻窄縫鼻坎相比,其水舌在空中的挑射高度、擴散程度和前緣入水周界長度均明顯增加,入水更為分散。兩種鼻坎設(shè)計洪水位水舌特征值見表2。曲面貼角鼻坎最大挑射高程462.14m,比直墻窄縫鼻坎增加2.24m;曲面貼角鼻坎水舌上緣挑距Lmax=78.0m,較直墻窄縫鼻坎略有增加;內(nèi)緣挑距Lmin=22.4m,比原方案增加4.5m,有利于減輕對護坦處基礎(chǔ)的沖刷。雖然水舌縱向落水長度ΔL=Lmax-Lmin較直墻窄縫鼻坎小2.8m,但ΔL只反映了窄縫鼻坎水舌在縱向的擴散程度。曲面貼角窄縫鼻坎水舌上緣兩側(cè)形成較離散水簾,使入水前緣加寬,入水時呈弧狀散開,弧線總長度達55m,水簾所占泄量約為15%～20%,此外由于底槽的作用,水舌下緣水流也有一定的橫向擴散。由此可見,曲面貼角鼻坎水舌在縱向、橫向都能充分擴散。4中孔泄洪時水舌入水前緣相互摻疊。直墻窄縫鼻坎水舌前緣雖然也存在水簾,但水簾所占流量比例小,距縱向水舌近,橫向擴散程度較小。設(shè)計洪水工況曲面貼角鼻坎水舌上緣出射角θ上約為45°,有利于使水舌外緣挑距達到最大。上緣入水角β1約為51°,內(nèi)緣入水角β2約為31°。水舌內(nèi)緣線可用拋物線擬合,根據(jù)質(zhì)點運動學原理,拋物線方程應為:y=xtanθ?gx22v2cos2θy=xtanθ-gx22v2cos2θ式中g(shù)為加速度;v為起始速度;θ為起始速度方向與水平方向的夾角。根據(jù)實測近底流速的值,假定一系列θ值計算相應曲線并繪圖,與水舌內(nèi)緣線最接近的拋物線的角度即為水舌內(nèi)緣出射角θ下。通過計算得設(shè)計洪水時的θ下=-10.6°,θ下=α+α′,此處α是底板挑角,α′是出射角修正值,推薦曲面貼角鼻坎底槽的角度α=-2.3°,則α′=-8.3°。用同樣方法求得直墻窄縫鼻坎底緣出射角修正值為-5.0°。這說明曲面貼角窄縫鼻坎對內(nèi)緣水股向下的擠壓作用相對較強,之所以其挑距較大,是因為近底水流具有較大的流速。校核洪水工況中孔水舌仍然擴散充分,水舌最高點高程仍為462.14m,外緣挑距89.3m,內(nèi)緣挑距18.5m。P=2%洪水工況4中孔開5.7m,P=10%洪水工況4中孔中的2孔開0.8m,兩工況中孔鼻坎水舌均能充分擴散。5.5沖淤地形分析設(shè)計洪水工況4中孔水舌占據(jù)河床中部,左、右底孔水舌位于中孔水舌兩側(cè),下游河道整體流態(tài)對稱。從下0+160m至下0+225m范圍內(nèi)河道中部水面壅高,摻氣漩滾劇烈,并向兩岸擴散,在兩岸邊下0+200m前后形成頂沖之勢。沖淤地形與河道流態(tài)對應,主沖刷區(qū)位于河床中部,沖坑底高程409.2m,沖深10.8m;左岸護坡坡腳局部最大沖深至416.6m,右岸護坡處略有淤積,最大沖深點在護坡段下游,沖坑底高程412.0m,兩岸邊沖坑均為水流頂沖紊動淘刷所致;護坦范圍內(nèi)地形高程在416m以上。沖刷區(qū)下游淤積體較為平坦,最大淤高427.7m。各主要部位沖刷程度與原方案試驗結(jié)果的比較見表3。從表3可以看出,推薦方案各主要部位沖深比原方案減少2.5～9.5m,沖刷程度減輕23.8%～81.2%,其中最大沖深減輕29%,消能效果有了明顯的改善。推薦方案校核洪水工況河床中部最大沖深12.0m,但兩底孔末端基礎(chǔ)和護坦范圍內(nèi)幾乎未遭沖刷,仍能保證大壩和建筑物的安全。5.6窄縫式挑流消能工總耗能量曲面貼角窄縫鼻坎依靠兩側(cè)邊墻和貼角體將水流分別向心導向,使之在空中對沖,改變了水流質(zhì)點間的相互作用和水流結(jié)構(gòu),加劇了水流的紊動。對沖后水流各質(zhì)點因具有不同的運動方向而產(chǎn)生的運動擴散,水舌在縱向擴散呈薄形扇狀,其外緣以水簾的形式形成一定的橫向擴散。擴散水舌因受空氣阻力的作用和摻氣消殺部分能量,水舌分散入水,大大減小了射流對基巖的動水壓力,水墊中水流以擴散、紊動剪切和旋輥等形式而消耗大部分能量。研究分析表明,窄縫式挑流消能工總耗能量(ΔE),主要由紊動消能(ΔEt)、水流碰撞消能(ΔEn)、摻氣與空氣阻力消能(ΔEa)及水墊消能(ΔEw)4部分組成。與直邊墻窄縫鼻坎相比,曲面貼角鼻坎