表深孔下泄水流擴(kuò)散的擴(kuò)散規(guī)律及水墊塘沖擊控制研究

表深孔下泄水流擴(kuò)散的擴(kuò)散規(guī)律及水墊塘沖擊控制研究

1壩身消能設(shè)計(jì)峽谷區(qū)高拱水庫的特點(diǎn)是瀑布大、河谷窄、單寬流量大。支撐鎖水池的消能形是其防洪消能的主要形式。為了有效降低收集和沉淀的舌流對(duì)水墊池底板的動(dòng)水影響，應(yīng)盡量分配下水流，以減少入水的單位面積的集中強(qiáng)度。但表深孔水舌空中碰撞使霧化加劇,同時(shí)對(duì)于在峽谷地區(qū)修建的高拱壩,由于地形的限制,泄洪前沿寬度有限,使水舌橫向擴(kuò)散變得異常困難,因而應(yīng)尋求一種既無水舌碰撞又可有效分散水舌的壩身泄洪消能布置方案。即采取工程措施使深孔水舌穿過表孔水舌之間的空隙處射出,形成表深孔水舌交錯(cuò)入水的格局。根據(jù)前人的研究成果,在一定水力條件下,提高水舌縱向擴(kuò)散的有效途徑是引入收縮式消能工。為此,在高拱壩壩身孔口布置中采用收縮式消能工,如表孔采用寬尾墩消能工,深孔可采用窄縫坎消能工,形成寬尾墩-窄縫坎-水墊塘消能形式。為此,嘗試將國(guó)內(nèi)外尚未采用的表孔寬尾墩-深孔窄縫挑坎聯(lián)合泄洪消能技術(shù)應(yīng)用于高薄拱壩的泄洪消能中。并結(jié)合溪洛渡雙曲拱壩反拱形水墊塘對(duì)表孔寬尾墩-深孔窄縫挑坎聯(lián)合泄洪形成的窄薄片狀交錯(cuò)射流消能水墊塘內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究。2表孔溢流堰模型表孔寬尾墩一深孔窄縫挑坎聯(lián)合泄洪形成的窄薄片狀交錯(cuò)射流消能動(dòng)水沖擊壓力特性試驗(yàn)在四川大學(xué)高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溪落渡水工整體模型上進(jìn)行。常規(guī)體型壩身7個(gè)表孔和8個(gè)深孔均為平面對(duì)稱布置,左右孔口體型對(duì)稱,其中原方案表孔采用差動(dòng)式布置,設(shè)有分流齒坎。表孔溢流堰采用WES型實(shí)用堰,模型中的高程值以表孔堰頂586.5cm為基準(zhǔn)。由于原體型中表、深孔出口采用的是擴(kuò)散坎,水流出口寬度大于水流進(jìn)口寬度,在試驗(yàn)中,均用有機(jī)玻璃板貼置表孔閘墩邊壁,即采用不同收縮比的寬尾墩和深孔窄縫挑坎,使表、深孔出流形成一定的收縮。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭虚g7個(gè)表孔均采用對(duì)稱寬尾墩,閘孔收縮比為0.3,閘孔收縮角為15°。模型所有深孔窄縫挑坎均采用矩形出口,未收縮前出口寬度為6cm,收縮比為0.67,出口寬度為4cm,收縮段長(zhǎng)度為10cm。其中中間6深孔窄縫挑坎采用對(duì)稱設(shè)計(jì),為了避免深孔窄縫挑流入水過分集中,左右二側(cè)深孔采用不對(duì)稱設(shè)計(jì)。寬尾墩、窄縫挑坎幾何參數(shù)見表1。水墊塘體型設(shè)計(jì)為反拱型,在水墊塘左半部布置了507個(gè)測(cè)壓孔。3試驗(yàn)工況分析共4種不同泄洪流量的表深孔聯(lián)合消能試驗(yàn)組合。4組表深孔聯(lián)合消能試驗(yàn)采用了1種上游水位、3種下游水位組合,因此,試驗(yàn)共進(jìn)行了12種工況的動(dòng)水沖擊壓力的測(cè)量和分析,具體工況見表2。表2中pmax為八深泄洪時(shí)產(chǎn)生的最大沖擊動(dòng)壓力。對(duì)每種寬尾墩,窄縫聯(lián)合泄洪均進(jìn)行了多種工況下的水墊塘底板時(shí)均動(dòng)水沖擊壓力的測(cè)量,以進(jìn)行比較并作出相應(yīng)分析。4表面寬尾墩的探測(cè)孔和窄槽截面的裂縫位于水射流中，并進(jìn)行了洪水性能試驗(yàn)的結(jié)果和分析實(shí)測(cè)的七表八深聯(lián)合泄洪流量組合在不同下游水位條件下水墊塘內(nèi)的動(dòng)水壓力等值線圖如圖1所示。1水流縱向特性從試驗(yàn)結(jié)果可知,由于表孔的寬尾墩和深孔窄縫挑坎側(cè)墻的收縮作用,使得下泄水流在橫向上明顯收縮、垂向上明顯擴(kuò)散并且在縱向上明顯拉長(zhǎng),表孔跌流與深孔挑流在空中穿插交錯(cuò)沒有發(fā)生碰撞,射流縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向厚度,呈窄薄片狀射流。表深孔水舌在水墊塘中的內(nèi)外緣入水角在45.2°～68.5°之間。2水墊塘內(nèi)水流多股窄薄片狀交錯(cuò)射流入射下游水墊塘后,在水墊塘內(nèi)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、形成了復(fù)雜的三元水流。射流在水墊塘中的入水長(zhǎng)度顯著增加,從而使水墊塘中強(qiáng)紊動(dòng)剪切區(qū)增大,加之受水墊塘邊壁的碰撞折沖,使得水墊塘內(nèi)的水流紊動(dòng)十分劇烈,水面波浪起伏。從平面上看,水墊塘內(nèi)大致可分為靜水區(qū)、表孔射流入水區(qū)、深孔射流入水區(qū)和旋滾區(qū)。從壩址到表孔射流之間區(qū)域基本為靜水區(qū),時(shí)而有水面波動(dòng)和回流出現(xiàn),總體上該區(qū)水面較為平靜。表孔射流入水區(qū),此區(qū)水流紊亂,入水區(qū)上、下游伴隨有旋滾。深孔射流入水區(qū),該區(qū)水墊塘溢流線附近水舌最為集中,由于深孔窄縫縱向拉伸效果較為明顯,所以摻氣效果更好,此區(qū)上、下游也伴隨有旋滾。旋滾區(qū),在深孔入水區(qū)和二道壩之間,該區(qū)水體攜帶大量的氣體,特別是當(dāng)水體流入二道壩上時(shí),水團(tuán)翻滾,劇烈波動(dòng)、水流劇烈摻混、剪切、擴(kuò)散,形成摻氣水流。3深孔射流對(duì)主流板的沖擊壓力的影響從表2可以看出,表深孔聯(lián)合泄洪時(shí),隨著上下游射流流量比的逐漸增大,在不同的下游水位下由深孔射流產(chǎn)生的最大沖擊壓力均比純深孔射流時(shí)減小。這是由于隨著上游表孔射流流量的增大,由它產(chǎn)生的動(dòng)水墊作用逐漸明顯,使深孔下泄水流在動(dòng)水墊作用下,有效地減輕了對(duì)水墊塘底板的沖擊動(dòng)壓。由圖1進(jìn)一步分析可知,流量比增大的越快,對(duì)水墊塘底板沖擊動(dòng)壓的減小作用就越顯著。5高拱壩表孔寬尾墩-深孔窄縫挑坎聯(lián)合產(chǎn)品表孔寬尾墩-深孔窄縫挑坎聯(lián)合泄洪消能方式,由于水舌縱向拉開,有效地提高了消能效果,減輕了水墊塘底板的動(dòng)水沖擊壓強(qiáng)。而且,表、深孔水舌在空中交錯(cuò)穿插,不發(fā)生空中碰撞,可充分利用有限的溢流寬度和下游河道的縱向空間,特別適合于狹窄河谷中的高拱壩壩身泄洪,并可減少因水舌空中碰撞而導(dǎo)致的泄洪霧化的增強(qiáng)。通過對(duì)水墊塘設(shè)計(jì)控制參數(shù)時(shí)均沖擊動(dòng)水壓力進(jìn)行測(cè)量分析,表明高拱壩表孔寬尾墩-深孔窄縫挑坎聯(lián)合泄洪在峽谷區(qū)高拱壩泄洪消能布置具有可行性。在未影響表孔泄流能力的情況下,寬尾墩收縮比采用0.5、深孔窄縫挑坎收縮比采用0.6