曲面貼角窄縫鼻坎水力學(xué)模型試驗(yàn)研究

曲面貼角窄縫鼻坎水力學(xué)模型試驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)。穩(wěn)定性好，對(duì)大小流量適應(yīng)性強(qiáng)，舌水分散，低邊緣間隙穩(wěn)定（舌水穿越工作臺(tái)或土壤保護(hù)），耐磨性好，磨損深度淺等優(yōu)點(diǎn)。曲面貼角鼻坎已成功應(yīng)用到龍羊峽溢洪道、東風(fēng)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(yīng)用較少,本文結(jié)合張河灣抽水蓄能電站下水庫(kù)攔河壩水力學(xué)模型試驗(yàn),對(duì)其中孔直邊墻窄縫鼻坎和曲面貼角窄縫鼻坎進(jìn)行了對(duì)比研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,曲面貼角窄縫鼻坎應(yīng)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(kù)位于河北省石家莊市井陘縣測(cè)魚鄉(xiāng)境內(nèi)的甘陶河干流上。電站總裝機(jī)容量1000MW,主要擔(dān)負(fù)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(kù)工程為Ⅰ等工程,主要建筑物為(1)級(jí)建筑物,最大壩高77.35m。泄水建筑物包括左、右2個(gè)溢流表孔,4個(gè)中孔,左、右2個(gè)泄水底孔和1個(gè)沖砂底孔,對(duì)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(jì),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(kù)水位與泄水建筑物泄量分配見表1。3河道下護(hù)坦下天然河口鋪砂及鋪設(shè)模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),長(zhǎng)度比尺Lr=60。各泄水建筑物均用有機(jī)玻璃制作。上游截取壩軸線以上庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度約450m,下游河道從護(hù)坦末端(樁號(hào)下0+090.0m)以下取556m,其中動(dòng)床長(zhǎng)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(dòng)床鋪設(shè),河床鋪砂高程為420m。下游動(dòng)床以天然散粒體沙石模擬河床基巖,按設(shè)計(jì)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(jì)算模型沙當(dāng)量粒徑為8～15mm。4試驗(yàn)對(duì)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(jì)4個(gè)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(jìn)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(hào)為下0+060.000m。中孔縱剖面詳見圖2。鼻坎收縮段長(zhǎng)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(yàn)實(shí)測(cè)中孔在校核洪水位泄流量為4826m3/s,比設(shè)計(jì)計(jì)算值4730m3/s大2.0%;設(shè)計(jì)洪水位泄量為3779m3/s,比設(shè)計(jì)計(jì)算值3810m3/s小0.8%。試驗(yàn)率定值與設(shè)計(jì)計(jì)算值相近。在孔流狀態(tài)下中孔流量的計(jì)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(jìn)口底板高程以上水頭,m。當(dāng)庫(kù)水位在474m以上時(shí),中孔流量系數(shù)μ為0.614～0.814,設(shè)計(jì)和校核洪水位相應(yīng)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(jì)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(hào)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(duì)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(jì)在設(shè)計(jì)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(kuò)散較充分,呈光滑片狀,設(shè)計(jì)水位時(shí)縱向拉開長(zhǎng)度達(dá)到60m左右,為鼻坎以上水頭的1.3倍。設(shè)計(jì)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(diǎn)是水流摻氣明顯,水舌在空中幾乎全被擴(kuò)散成水股,射入尾水的水舌由近到遠(yuǎn)流量逐步增大。本工況中孔水舌雖然擴(kuò)散充分,但沒有擴(kuò)散成離散的水股。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)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(yàn)研究認(rèn)為窄縫鼻坎的水流Fr為4.5～10.0時(shí),挑射水流才具有良好的縱向擴(kuò)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(jì)水位時(shí)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(shì)必使鼻坎邊墻進(jìn)一步加高,給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來更大的問題。4.5河道沖淤情況設(shè)計(jì)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?dāng)嗝嬷料掠?+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(qiáng)度較弱,而左岸邊回流一直上溯至護(hù)坦內(nèi)又形成橫向流。從樁號(hào)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(hù)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(gè)河道呈現(xiàn)沖淤范圍大且平坦的特點(diǎn)。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(jì)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(shí)際工程的消能防沖要求。5試驗(yàn)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(jì)工況時(shí)為3.0,校核工況時(shí)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(jìn)行了曲面貼角窄縫鼻坎方案的優(yōu)化試驗(yàn)。通過幾個(gè)方案鼻坎的修改優(yōu)化試驗(yàn),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(diǎn)在0+049.176m,鼻坎末端樁號(hào)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(kuò)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(jì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(jì)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(jì)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(hào)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(jì)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(kuò)散程度測(cè)定結(jié)果曲面貼角窄縫鼻坎設(shè)計(jì)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(kuò)散程度和前緣入水周界長(zhǎng)度均明顯增加,入水更為分散。兩種鼻坎設(shè)計(jì)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(duì)護(hù)坦處基礎(chǔ)的沖刷。雖然水舌縱向落水長(zhǎng)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(kuò)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(shí)呈弧狀散開,弧線總長(zhǎng)度達(dá)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(kuò)散。由此可見,曲面貼角鼻坎水舌在縱向、橫向都能充分?jǐn)U散。4中孔泄洪時(shí)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(kuò)散程度較小。設(shè)計(jì)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(dá)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,拋物線方程應(yīng)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(shí)測(cè)近底流速的值,假定一系列θ值計(jì)算相應(yīng)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(jì)算得設(shè)計(jì)洪水時(shí)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(duì)內(nèi)緣水股向下的擠壓作用相對(duì)較強(qiáng),之所以其挑距較大,是因?yàn)榻姿骶哂休^大的流速。校核洪水工況中孔水舌仍然擴(kuò)散充分,水舌最高點(diǎn)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?jǐn)U散。5.5沖淤地形分析設(shè)計(jì)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(duì)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(kuò)散,在兩岸邊下0+200m前后形成頂沖之勢(shì)。沖淤地形與河道流態(tài)對(duì)應(yīng),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(hù)坡坡腳局部最大沖深至416.6m,右岸護(hù)坡處略有淤積,最大沖深點(diǎn)在護(hù)坡段下游,沖坑底高程412.0m,兩岸邊沖坑均為水流頂沖紊動(dòng)淘刷所致;護(hù)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(yàn)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(hù)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?jī)蓚?cè)邊墻和貼角體將水流分別向心導(dǎo)向,使之在空中對(duì)沖,改變了水流質(zhì)點(diǎn)間的相互作用和水流結(jié)構(gòu),加劇了水流的紊動(dòng)。對(duì)沖后水流各質(zhì)點(diǎn)因具有不同的運(yùn)動(dòng)方向而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散,水舌在縱向擴(kuò)散呈薄形扇狀,其外緣以水簾的形式形成一定的橫向擴(kuò)散。擴(kuò)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(duì)基巖的動(dòng)水壓力,水墊中水流以擴(kuò)散、紊動(dòng)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(dòng)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