高海拔地區(qū)臺(tái)階式溢洪道水力特性研究

楊吉健，劉韓生，張為法，代述兵

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌，712100;2.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安，710065)

近年來，臺(tái)階式溢洪道在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其主要原因是臺(tái)階可以顯著增大溢洪道消能率，進(jìn)而可減小下游所需消力池規(guī)模，節(jié)省工程投資［1－2］。目前，對(duì)臺(tái)階式溢洪道的研究已取得不少成果，如對(duì)大朝山水電站［3－4］、白色水電站［4］、水布埡水電站［5］、水東大壩［6－7］、江埡大壩［6－8］、稿樹下水庫［9－10］、水東水電站［11］、崗曲河水電站［12］等的研究。但上述水電站所處海拔高度較低，對(duì)高海拔地區(qū)臺(tái)階式溢洪道水力特性研究尚無系統(tǒng)文獻(xiàn)報(bào)道。本文以具體工程為依據(jù)，研究壩頂所處海拔位置2 586.0 m，斜坡角度θ=32°的臺(tái)階式溢洪道的水力特性，旨在為高海拔地區(qū)臺(tái)階式溢洪道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)以高海拔地區(qū)某大壩為研究對(duì)象，該壩頂高程2 586.0m，最大壩高 69.1m，壩頂寬度 6.0 m，溢洪道的軸線位于壩右0+012.00 m。下泄流量在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，為了便于施工，首部溢流堰采用平底寬頂堰，堰頂高程2 580.20 m，溢流凈寬為20 m，采用2孔布置，左右邊墩墩頭為1/4橢圓曲面，中墩前后墩頭為尖圓形，陡槽段坡比1∶1.6，泄槽凈寬21.5 m，溢洪道陡槽為臺(tái)階形式，臺(tái)階高度60 cm，寬度96 cm。消能工為連續(xù)反弧形式，反弧半徑R=4 m，挑射角θ=20°(見圖1)。本試驗(yàn)取3種不同工況:校核水位 2 584.18 m，下泄流量為Q=253.8 m3/s;庫水位H=2 586.53 m(超過大壩設(shè)計(jì)頂高程2 586 m)，設(shè)計(jì)流量Q=518 m3/s;庫水位H=2 583.47m，下泄流量為Q=188.6 m3/s。

圖1 臺(tái)階式溢洪道體型Fig.1 Overall layout of the stepped spillway

2 臺(tái)階式溢洪道水面線特性分析

2.1 臺(tái)階溢洪道水流流態(tài)分類

臺(tái)階式溢洪道的水流流況根據(jù)其相對(duì)臨界水深yc/h(yc為溢洪道進(jìn)口處臨界水深，h為臺(tái)階高度)，以及泄槽傾斜角度θ分成3類［13］，即:滑行水流、過渡水流和跌落水流。其中滑行水流所表現(xiàn)的流態(tài)為:水流流經(jīng)臺(tái)階表面時(shí)，各臺(tái)階內(nèi)部全部被水填充，無空腔存在，各臺(tái)階隅角與主流形成橫軸漩渦，靠近主流處漩渦旋轉(zhuǎn)方向與主流流動(dòng)方向一致。

2.2 3種工況下水面線特性分析

按照相對(duì)臨界水深［13］判斷出本試驗(yàn)所涉及的3個(gè)工況均為滑行水流，這一推斷與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。水流運(yùn)動(dòng)過程中受到臺(tái)階很大的阻力作用，在臺(tái)階內(nèi)產(chǎn)生旋滾，造成大量空氣由水面表面卷入。在校核水位 2 584.18m，陡槽下 0+005.085 至下 0+009.885m為清水區(qū)，下0+009.885至下0+050.205 m為水流紊動(dòng)摻氣發(fā)展區(qū)，下0+50.205至下0+100.733m為水流充分紊動(dòng)摻氣區(qū)。當(dāng)庫水位繼續(xù)升高，流量繼續(xù)增大，陡槽上水流紊動(dòng)摻氣發(fā)展區(qū)起始位置向下游移動(dòng)。溢洪道下泄設(shè)計(jì)流量 Q=518 m3/s，庫水位為2 586.53 m時(shí)，陡槽下 0+005.085 至下0+050.205m為清水區(qū)，下 0+050.205至下 0+076.125m為水流紊動(dòng)摻氣發(fā)展區(qū)，下 0+076.125至下0+100.733m為水流充分紊動(dòng)摻氣區(qū)。當(dāng)下泄流量為188.6 m3/s時(shí)，水流表現(xiàn)為陡槽臺(tái)階上的水深先沿程減小，之后隨著水流表面的摻氣，水深又沿程增大。3種不同工況所表現(xiàn)出水深沿程變化見圖2。

圖2 不同工況下臺(tái)階式溢洪道沿程水深Fig.2 Water surface profiles of the stepped spillway in different conditions

由圖2可以看出，在3種工況下，水深沿程變化規(guī)律為:臺(tái)階起始斷面水深較大，隨后沿程急劇下降，到達(dá)明顯摻氣點(diǎn)后，因摻氣水深逐漸增大，最終摻氣充分，水深趨于穩(wěn)定。

3 臺(tái)階式溢洪道流速與消能分析

3.1 流速分布規(guī)律

對(duì)3種不同工況水流流速進(jìn)行量測(cè)，得知陡槽上的流速，在溢洪道上游沿程增加，達(dá)到某一斷面后，流速趨于穩(wěn)定或減小，且同一斷面，大小呈對(duì)稱分布，從校核水位2 584.18m下流速分布(圖3)可看出，流速大小在平面上呈菱形分布，說明水流在陡槽上形成了菱形沖擊波。隨著庫水位的升高，陡槽上的沖擊波消失。圖4給出了3種不同工況下溢洪道中線平均流速的分布規(guī)律。

3.2 消能分析

臺(tái)階式溢洪道相對(duì)于光滑面溢洪道因消能率高得以廣泛推廣應(yīng)用。本試驗(yàn)結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)論一致，即:同一坡度下，流量越大，臺(tái)階式溢洪道的消能率越小。溢洪道水力參數(shù)如表1所示。

表1 溢洪道水流力學(xué)參數(shù)Table 1 Hydraulic parameters of the spillway

4 臺(tái)階溢洪道壓強(qiáng)特性分析

本試驗(yàn)測(cè)量了臺(tái)階水平面和豎直面的壓力，布設(shè)位置分別為臺(tái)階水平面及豎直面形心。溢洪道臺(tái)階水平面和豎直面上的時(shí)均壓力沿程呈現(xiàn)交替分布(見圖5)，這是由水流流經(jīng)臺(tái)階時(shí)的沖擊和跳躍造成的。壓力還表現(xiàn)為水位越高，壓力越大。如表2所示。

圖5 3種工況下溢洪道豎直面和水平面的時(shí)均壓力沿程分布Fig.5 Time-averaged pressure on the vertical and horizontal planes of spillway in three conditions

表2 不同校核水位和單寬流量下的臺(tái)階水平面、豎直面壓力Table 2 Pressures on the horizontal and vertical planes of spillway in the presence of different check water levels and per unit width discharges

5 空化空蝕問題

由于臺(tái)階式溢洪道水力條件極為復(fù)雜，且臺(tái)階式溢洪道工程如丹江口水利樞紐溢洪道曾發(fā)生臺(tái)階空蝕破壞［14］，處于高海拔地區(qū)的工程必須考慮空蝕破壞的可能性。本試驗(yàn)3種工況下時(shí)均壓力有0值及負(fù)壓出現(xiàn)，因此，有必要對(duì)其空化空蝕問題進(jìn)行研究。

5.1 水流空化數(shù)分析

丹江口水利樞紐溢洪道發(fā)生空蝕破壞在于其大流速大單寬流量(q=120 m3/(s·m);流速22～24 m/s)。本試驗(yàn)條件下最大單寬流量為24.09 m3/(s·m)，流速14～16 m/s。故本試驗(yàn)空蝕破壞可能性遠(yuǎn)小于丹江口水利樞紐溢洪道。樂灘水電站(海拔70～96 m)單寬流量 q50%=80.89 m3/(s·m)，流速達(dá)10～25 m/s，試驗(yàn)中測(cè)得最大負(fù)壓為－5.98kPa［15］，相對(duì)本工程出現(xiàn)負(fù)壓更加不利，但樂灘水電站至今運(yùn)行良好，無空化空蝕破壞。四川魚背山水電站(海拔600～650 m)單寬流量 21.74～78.26 m3/(s·m)，流速達(dá) 15～28.73 m/s也未發(fā)生空蝕空化破壞［16］。究其原因?yàn)榕_(tái)階式溢洪道摻氣充分，極大減小了發(fā)生空化空蝕的概率。本試驗(yàn)條件下最大負(fù)壓為－3.04 kPa，相對(duì)于樂灘水電站(最大負(fù)壓－5.98 kPa)及魚背山水電站(立面上最大負(fù)壓－20～－10 kPa)［17］而言雖然很小，但由于本工程位于高海拔地區(qū)，大氣壓力較低，較低海拔地區(qū)水工建筑物是否更易發(fā)生空蝕破壞尚不明確，為此，有必要探求海拔高低對(duì)空化空蝕的影響。空化數(shù)計(jì)算式為

式中:p/γ為參考斷面特征壓力水柱(m);pa/γ為建筑物所在地大氣壓力水柱(m);pv/γ為相應(yīng)水溫下的蒸汽壓力水柱(m);V為參考斷面特征流速(m/s)。為探求海拔對(duì)水流空化數(shù)δ的影響。表3給出了不同海拔處的大氣壓力。

表3 大氣壓力Table 3 Atmospheric pressure

由表3知大氣壓力水柱隨海拔高程變化不大，大氣壓力水柱變化相對(duì)斷面特征流速而言對(duì)水流空化數(shù)貢獻(xiàn)較小，且模型觀察表明臺(tái)階溢洪道陡槽水流摻氣充分，故可不考慮空化空蝕問題。

5.2 脈動(dòng)壓力量測(cè)

臺(tái)階式溢洪道空化空蝕破壞與脈動(dòng)壓強(qiáng)關(guān)系密切，本工程以校核工況作為代表，對(duì)脈動(dòng)壓力進(jìn)行分析。

由表4可知，雖然臺(tái)階表明存在0值以及負(fù)壓，但負(fù)壓值很小，且實(shí)際工程中摻氣較模型更為充分，空化空蝕破壞現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。

表4 臺(tái)階溢洪道脈動(dòng)特征值(流量 Q=253.8 m3/s，校核水位 2 584.18 m)Table 4 Characteristic values of fluctuation pressure of stepped spillway(Q=253.8 m3/s，check water level 2 584.18 m)

6 結(jié)語

本文對(duì)3種工況下，坡度θ=32°臺(tái)階式溢洪道水面線、沿程流速、時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓力進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)情況下水流均表現(xiàn)為滑移流，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［3］結(jié)論一致;水面線沿程的變化反映了水汽二相流的固有的特性，對(duì)摻氣起始點(diǎn)等的觀測(cè)，很好解釋了水面線以及沿程流速、時(shí)均壓強(qiáng)變化的原因;理論分析表明該工程不存在空化空蝕問題;消能率變化規(guī)律表現(xiàn)為隨流量增大而減小;對(duì)其壓強(qiáng)的研究表明，溢洪道臺(tái)階水平面與豎直面不僅存在低壓區(qū)、高壓區(qū)、負(fù)壓區(qū)，而且還存在沖擊區(qū)。本工程處于高海拔地區(qū)，可為類似工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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