土石壩溢洪道泄槽摻氣挑坎對(duì)水面線起算深水的影響

土石壩溢洪道泄槽摻氣挑坎對(duì)水面線起算深水的影響

隨著新疆遼溝溢流板堆石水庫(kù)的建設(shè)和浙江桐柏引水蓄能站下壩流板堆石水庫(kù)的建設(shè)，對(duì)直接定義土石壩水庫(kù)溢流通道的問題越來越受到重視。由于土石壩壩體溢洪道泄水安全問題比一般岸邊溢洪道更為重要,因此在確定土石壩壩體溢洪道泄槽水面線及其邊墻高度時(shí),應(yīng)科學(xué)合理,既不要造成浪費(fèi),又要確保溢流土石壩下游壩坡安全。下面就土石壩壩體溢洪道泄槽水面線若干問題進(jìn)行分析探討,提出幾點(diǎn)建議,供類似工程參考。1試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析起算水深是泄槽水面線起始計(jì)算斷面的水深,其取值的大小會(huì)對(duì)計(jì)算水面線有所影響。早期建成的過水土壩及近期建成的溢流面板堆石壩,其溢流堰頂大多采用梯形堰形式,但也有一些工程為提高溢流堰的泄流能力,通過一些結(jié)構(gòu)措施縮短了壩頂寬度,從而采用了圓弧堰等曲線形堰,如新疆榆樹溝溢流面板堆石壩工程等。本文通過物理模型試驗(yàn)分別對(duì)梯形堰、圓弧堰及翼形堰等幾種可應(yīng)用于土石壩壩體溢洪道的堰型的起算斷面位置和起算水深進(jìn)行了試驗(yàn)分析。當(dāng)壩體溢洪道采用梯形堰形式時(shí),起算斷面的位置一般在堰頂面與下游坡面相交處;當(dāng)壩體溢洪道采用圓弧堰或翼型堰(見圖1)等曲線堰型時(shí),由于水流過堰后縱向收縮程度不同,其起算斷面的位置及水深值與梯形堰有一定的差別。與梯形堰相比,圓弧堰及翼形堰等曲線形堰的下游堰面曲線相對(duì)較長(zhǎng),所以其起算斷面略向下游偏移。起算水深的試驗(yàn)成果見圖1、圖2、圖3。經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn):圓弧曲線堰與翼形堰的起算水深均小于0.7倍臨界水深hk,并且起算水深h與臨界水深hk之間有良好的直線相關(guān)性,均可以h=0.7hk-B來表示,式中B為圖2、圖3中縱軸截距。試驗(yàn)結(jié)果表明B值的取值區(qū)間為0.6～0.9;不同的B值范圍對(duì)應(yīng)不同的堰型,圓弧曲線堰B值取值范圍為0.6～0.8,翼形堰的B值為0.7～0.9;B值的大小與堰體的體型有關(guān),堰體越肥厚則B值越小,數(shù)據(jù)點(diǎn)愈接近h=0.7hk線。在本試驗(yàn)中,觀測(cè)發(fā)現(xiàn)梯形堰的起算水深介于臨界水深hk和0.7hk之間,與文獻(xiàn)的試驗(yàn)研究成果相近。即在一定條件下,梯形堰的起算水深較之臨界水深略小。2試驗(yàn)結(jié)果分析土石壩壩體溢洪道泄槽的坡度陡,流速較高,一般都需設(shè)置摻氣槽來減免空蝕破壞。國(guó)內(nèi)近期建成和在建的幾座溢流面板堆石壩的泄槽底板,采用了摻氣槽與泄槽底板橫縫相結(jié)合的疊瓦式構(gòu)造形式,即在泄槽底板每道橫縫處均設(shè)置摻氣槽,因此在泄槽中出現(xiàn)了多道摻氣槽的情況。為保證摻氣減蝕效果,同時(shí)盡量減小摻氣槽挑坎對(duì)泄槽水流的擾動(dòng),其摻氣槽大多采用挑跌坎結(jié)合形式(見圖4)。盡管如此,已有的試驗(yàn)表明,摻氣挑坎仍然對(duì)水流有較大的擾動(dòng),使得泄槽中的水面在挑坎后發(fā)生局部壅高;多道摻氣槽會(huì)造成水流被多次挑起,泄槽內(nèi)水面線出現(xiàn)波動(dòng)。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和南京水利科學(xué)研究院曾分別就保爾德混凝土面板堆石壩壩面溢流方案進(jìn)行過試驗(yàn)研究,在其試驗(yàn)結(jié)果中也出現(xiàn)了這種摻氣挑坎對(duì)泄槽水面線擾動(dòng)現(xiàn)象,該溢洪道泄槽原型寬度8m。根據(jù)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果,將試驗(yàn)水面線繪于圖5中,并與不設(shè)摻氣槽情況下的泄槽理論計(jì)算水面線進(jìn)行比較可以看出,在第一道摻氣槽之前的泄槽段,試驗(yàn)水面線與計(jì)算水面線基本吻合,之后由于摻氣挑坎對(duì)水流的擾動(dòng)作用,試驗(yàn)水面線有明顯的抖動(dòng),試驗(yàn)水面線的峰值點(diǎn)均為摻氣挑坎的挑流作用造成,即在摻氣挑坎后的試驗(yàn)水深大于計(jì)算水深;而且隨流速的增加,挑坎對(duì)泄槽水流的擾動(dòng)作用也愈為明顯。與圖5的結(jié)果類似,文獻(xiàn)試驗(yàn)測(cè)得的摻氣槽挑坎后水深值與本文計(jì)算水深值之間也有相似的差異,見表1。從表1中數(shù)據(jù)可見,自第1道摻氣槽開始,試驗(yàn)水深均大于計(jì)算水深,兩者比值的最大值發(fā)生在第3道摻氣挑坎后,達(dá)1.31。南京水利科學(xué)研究院為優(yōu)化摻氣挑坎的體型,對(duì)保爾德工程泄槽上4道摻氣槽的挑坎高和挑坎坡度進(jìn)行了3種不同布置方案的試驗(yàn)比較,其摻氣挑坎后的試驗(yàn)水深值以及相應(yīng)位置處的計(jì)算水深值見表2。由圖5及表1、表2可知:①泄槽設(shè)置摻氣槽后,由于摻氣挑坎對(duì)水流的挑流和擾動(dòng)作用,使得泄槽內(nèi)的水深增加(即大于不設(shè)摻氣槽情況下的泄槽水深)。②隨著泄槽水流流速的增加,挑坎對(duì)泄槽水流的擾動(dòng)作用也愈為明顯,此時(shí)水流對(duì)挑坎高度的變化也更為敏感。③摻氣挑坎對(duì)水面線的影響程度,與流速、摻氣挑坎的體型等因素有關(guān),當(dāng)泄槽內(nèi)設(shè)置多道摻氣槽時(shí),上一級(jí)摻氣挑坎的體型對(duì)下一級(jí)摻氣挑坎處的水深也有一定的影響。設(shè)置摻氣槽的泄槽,其摻氣挑坎除了對(duì)泄槽水面線有擾動(dòng)外,還會(huì)在一定程度上增大作用于泄槽底板的局部拖曳力和脈動(dòng)壓力。因此,對(duì)于土石壩壩體溢洪道的泄槽,在設(shè)置摻氣槽時(shí),應(yīng)注意優(yōu)化摻氣挑坎的體型,特別在流速較大的部位,應(yīng)控制挑坎高度和挑坎挑角。為保證土石壩壩體溢洪道的泄水安全,在泄槽內(nèi)設(shè)置摻氣挑坎的情況下,確定溢洪道泄槽邊墻高度時(shí),應(yīng)考慮摻氣挑坎對(duì)水面線的擾動(dòng)影響。若無條件進(jìn)行模型試驗(yàn),建議在泄槽計(jì)算水面線的基礎(chǔ)上,參考以上試驗(yàn)結(jié)果及具體工程的實(shí)際挑坎結(jié)構(gòu)類型,增加30%～50%水深作為考慮摻氣挑坎擾動(dòng)影響后的水深值。另外,清華大學(xué)楊永森等曾就摻氣槽挑坎的水力特性做過系統(tǒng)的研究,通過理論與試驗(yàn)研究,提出了摻氣槽挑坎坎后最大水深計(jì)算公式,本文利用該公式按文獻(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃?shù)及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)摻氣挑坎坎后水深進(jìn)行了估算,并與坎后試驗(yàn)水深值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表3。從表3中數(shù)據(jù)可見,利用文獻(xiàn)的公式計(jì)算所得的坎后計(jì)算水深值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的坎后數(shù)據(jù)比較吻合,因此,在考慮摻氣挑坎對(duì)水面線的擾動(dòng)影響,確定邊墻高度時(shí),也可考慮按文獻(xiàn)的方法對(duì)坎后水深進(jìn)行估計(jì)。3摻氣挑坎對(duì)水面線的影響(1)當(dāng)壩體溢洪道采用圓弧堰或翼形堰等曲線堰型時(shí),泄槽水面線起算水深小于0.7倍臨界水深hk。在無試驗(yàn)條件情況下,采用0.7倍的臨界水深作為起算水深是偏于安全的。(2)泄槽設(shè)置摻氣槽后,由于摻氣挑坎對(duì)水流的擾動(dòng)和挑流作用,使得泄槽內(nèi)的水深增大,為保證土石壩壩體溢洪道的泄水安全,在確定其泄槽邊墻高度時(shí),應(yīng)考慮摻氣挑坎對(duì)水面線的擾動(dòng)影響。(3)摻氣挑坎對(duì)水面線的影響程度,與流速、摻氣挑坎的體型等因素有關(guān);當(dāng)泄槽內(nèi)設(shè)置多道摻氣槽時(shí),上一級(jí)摻氣挑坎的體型對(duì)下一級(jí)摻氣挑坎后的水深也有一定的影響。泄槽水流在流速較大處對(duì)摻氣槽挑坎的高度極為敏感,因此,應(yīng)注意控制挑坎高度和挑坎挑角。當(dāng)泄槽設(shè)置多道摻氣槽時(shí),建議摻氣挑坎的挑角和坎高應(yīng)隨流速增加而減小為宜;特別對(duì)位于泄槽末端的