陳卓英,倪培桐
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院, 廣東 廣州 510630;2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510630;3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510630)
低水頭攔河閘重建工程消能工優(yōu)化布置試驗(yàn)研究
陳卓英1,2,3,倪培桐1,2,3
(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院, 廣東 廣州 510630;2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510630;3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510630)
共青河攔河閘壩工程是典型的低水頭樞紐工程,近年來隨著下游河床下切等原因,攔河閘壩多次出現(xiàn)險(xiǎn)情,個(gè)別部位殘損嚴(yán)重,影響工程的安全運(yùn)行。為研究研究攔河閘壩及其消能工運(yùn)行的水力特性,妥善解決攔河閘壩下游消能防沖的問題,基于工青河攔河閘工程設(shè)計(jì)資料,建立了水工模型試驗(yàn)。試驗(yàn)表明通過增加一級(jí)消力池末端左、右兩側(cè)尾坎頂高程和在一級(jí)消力池尾坎下游兩側(cè)斜坡段上設(shè)置外凸型階梯,有效降低了消力池出流斜向流速,減輕該斜向流撞擊左、右兩側(cè)斜坡段內(nèi)坡的現(xiàn)象,且外凸型階梯削減了斜坡段的流速,減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力,較好地解決了下游河床的消能防沖問題。
共青河攔河閘;消能工;外凸型階梯;試驗(yàn)研究
低水頭水工建筑物具有水頭低、流量大、弗勞德數(shù)低、深尾水及消能率低等特點(diǎn)。由于低水頭建筑物效能率低是普遍問題,因此能量被大量帶到河道下游,致使下游河道受水流沖刷侵蝕。特別是近年來河道采砂量大致使樞紐下游河道下切嚴(yán)重,邊岸滑坡,對(duì)樞紐安全形成較大威脅[1-5]。從目前研究看低水頭消能工關(guān)注階梯式消能工[6-10]、消力墩位置[11-13]、緩坡溢洪道挑坎[14-15]、消力池綜合消能效率[16-17]、電站導(dǎo)墻布置對(duì)流態(tài)影響[18]、溢洪道中墩尾部水翅消減方案[19]、泄水閘閘前沖刷[20]等問題。廣東省地處華南沿海,河流比降小,普遍存在低水頭攔河閘工程。共青河引水樞紐位于電白縣西部的沙瑯江干流上,是典型的低水頭水工樞紐。其擔(dān)負(fù)著電白縣西南部九個(gè)鎮(zhèn)7 100 hm2農(nóng)田的灌溉和縣城水東鎮(zhèn)的工商業(yè)及20多萬居民生活用水任務(wù)。是一座以灌溉為主,兼顧供水、交通等功能的水閘工程。樞紐閘壩工程始建于1958年,1986年重建,1988年重建完成并投入運(yùn)行20多年,攔河閘壩工程個(gè)別部位殘損嚴(yán)重,險(xiǎn)情不斷,嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行,需要重建。
共青河攔河閘壩重建工程為Ⅱ等大(2)型水閘,主要建筑物包括攔河閘、溢流壩、兩岸連接段及上、下游翼墻等。攔河閘布置共5孔,閘室堰頂高程16.3 m(珠基,下同),單孔凈寬12.5 m,泄流總凈寬62.5 m,前緣總寬度75.54 m。溢流壩段位于攔河閘的兩側(cè),兩側(cè)長(zhǎng)度均為45.68 m,溢流堰型采用WES堰,堰頂高程為19.3 m,堰下游高程為16.3 m(見圖1)。
圖1 共青河閘壩重建工程初選方案平面布置圖
共青河攔河閘壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(P=2%),洪水流量Q=2 300 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇(P=0.5%),洪水流量Q=2 940 m3/s。消能防沖建筑物洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與攔河閘壩標(biāo)準(zhǔn)一致,采用50年一遇(P=2%),攔河閘上游正常蓄水位為19.3 m。
本文試驗(yàn)主要研究攔河閘壩及其消能工運(yùn)行的水力特性,妥善解決攔河閘壩下游消能防沖的問題[21-22],為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。
模型按弗勞德相似定律設(shè)計(jì)為正態(tài),在滿足試驗(yàn)成果精度的前提下,根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地、供水條件等,選取模型幾何比尺Lr=40。流量根據(jù)弗勞德重力相似律,可得出模型各主要物理量的比尺關(guān)系。
根據(jù)共青河攔河閘壩壩址工程區(qū)域的河道地形,為了保證工程河段水流條件的相似,模型截取范圍為攔河閘壩上、下游河道各約1 000 m,模型試驗(yàn)?zāi)M的攔河閘壩上、下河道總長(zhǎng)度約為2 000 m。
攔河閘壩上、下游模型河道地形采用工程設(shè)計(jì)提供的河道地形圖進(jìn)行制作,河道地形和攔河閘壩根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的設(shè)計(jì)圖紙按幾何相似縮制。攔河閘、溢流壩等采用優(yōu)質(zhì)杉木精制,表面上蠟拋光;模型河道地形用水泥沙漿刮制、批蕩抹光,以滿足模型河床糙率與原型河床糙率相似。
2.1 工程布置
2.1.1 攔河閘及其下游消能工布置
經(jīng)共青河攔河閘水工斷面模型試驗(yàn)研究[21],優(yōu)化了攔河閘下游消能工的布置和體型。水工斷面模型試驗(yàn)推薦的攔河閘及其下游消能工的布置和體型尺寸為(見圖2)。
閘室下游布置兩級(jí)消力池,一級(jí)消力池水平長(zhǎng)度為19.5 m,池深2.2 m,池末尾坎頂高程16.0 m,尾坎末端以1∶2.5坡度陡坡段與下游二級(jí)消力池連接;一、二級(jí)消力池之間陡坡段布置4級(jí)高0.35 m、間距3.2 m的外凸型階梯;二級(jí)消力池水平長(zhǎng)度為22 m,池深0.8 m,池內(nèi)設(shè)置一排消力墩(墩高1.2 m、墩寬1.6 m、墩間距1.6 m),池末坎頂高程8.8 m,尾坎頂寬度2 m;二級(jí)消力池尾坎下游以1∶25坡度的斜坡海漫段(水平投影長(zhǎng)度20 m)與防沖槽連接,防沖槽頂高程8.0 m,后以1∶10反坡段與下游河床連接(見圖2)。
圖2 設(shè)計(jì)方案——攔河閘及其下游消能工剖面圖
2.1.2 溢流壩
溢流壩段位于攔河閘段的左、右兩側(cè),兩側(cè)長(zhǎng)度均為45.68 m,堰型采用WES堰,堰頂高程為19.3 m,溢流壩下游底板頂高程為16.3 m,底板順?biāo)鏖L(zhǎng)10 m,底板下游末端與下游兩級(jí)消力池連接。攔河閘壩左、右兩岸的一級(jí)消力池尾坎末端至防沖槽首端布置5 m寬的斜坡段,斜坡段與一級(jí)消力池下游陡坡段、二級(jí)消力池、斜坡海漫段等內(nèi)坡以1∶2坡度連接。
2.2 試驗(yàn)結(jié)果
原方案在攔河閘不同閘門開度與溢流壩聯(lián)合運(yùn)行時(shí)(閘上游水位Z=19.6m),由于溢流壩泄流量較小,攔河閘兩邊孔出流后向左、右兩側(cè)擴(kuò)散。水流沿一級(jí)消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側(cè)斜坡段的內(nèi)坡,兩側(cè)斜坡段及內(nèi)坡面區(qū)域的水流較集中,受其影響,二級(jí)消力池左、右兩側(cè)尾坎頂出現(xiàn)明顯的跌流現(xiàn)象,流速較大,導(dǎo)致其下游海漫段及下游河床區(qū)域流速較大,不利于工程的安全運(yùn)行(見圖3)。
圖3 兩側(cè)斜坡段及其內(nèi)坡區(qū)域泄流流態(tài)示意圖
隨著上游來流的增大,溢流壩過流相應(yīng)增大,水閘兩邊孔出流往左、右兩側(cè)擴(kuò)散程度減小。由于下游水位仍然較低,在兩側(cè)斜坡段及其連接的內(nèi)坡區(qū)域同樣出現(xiàn)較明顯的急流段,水流斜沖擊內(nèi)坡的流速約4.3 m/s~5.3 m/s;二級(jí)消力池左、右兩側(cè)的尾坎區(qū)域出現(xiàn)較明顯的跌流現(xiàn)象,出池流速約3.8 m/s~4.0 m/s,兩側(cè)端防沖槽及其下游的左、右岸區(qū)域流速較大,斷面流速分布不均勻,不利于工程的安全運(yùn)行(見表1)。
表1 消能工原方案攔河閘壩運(yùn)行流速值
3.1 優(yōu)化布置方案
(1) 修改方案1:將一級(jí)消力池左、右側(cè)各18 m長(zhǎng)尾坎加高0.8 m(頂高程16.8 m),尾坎頂寬為2 m(見圖4)。
(2) 修改方案2:在修改方案1的基礎(chǔ)上,將一級(jí)消力池末端左、右兩側(cè)尾坎頂加高至17.2 m高程。且在左、右兩側(cè)所增加的尾坎坡面上增加一級(jí)外凸型階梯,并在一級(jí)消力池尾坎下游的左、兩側(cè)斜坡段上增設(shè)6級(jí)外凸型階梯(見圖5)。
圖4 消能工修改方案1平面布置圖
(a) 修改方案2平面圖
(b) 外凸式階梯消能工大樣圖
圖5 消能工修改方案2布置圖
3.2 修改方案1試驗(yàn)結(jié)果
修改方案1把原設(shè)計(jì)方案一級(jí)消力池左、右兩側(cè)尾坎抬高之后,攔河閘不同閘門開度局部開啟與溢流壩運(yùn)行時(shí),削弱了攔河閘兩邊孔出流斜向水流撞擊下游兩岸側(cè)斜坡段內(nèi)坡的流量和流速,同時(shí),從兩側(cè)尾坎頂翻越水流流量明顯減小。在5孔閘閘門開度e=1.8 m的運(yùn)行時(shí)(閘上游水位Z=19.6 m,閘壩聯(lián)合運(yùn)行),一級(jí)消力池兩側(cè)尾坎頂流速約3.2 m/s~3.3 m/s,一級(jí)消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側(cè)內(nèi)坡的流速約2.7 m/s~2.9 m/s,二級(jí)消力池左、右兩側(cè)的出池流速約2.7 m/s(見表2)。
表2 消能工修改方案1攔河閘壩運(yùn)行流速值
當(dāng)上游來流量Q=1 200 m3/s泄流運(yùn)行時(shí)(攔河閘門全開與溢流壩聯(lián)合運(yùn)行),其運(yùn)行流態(tài)的與閘門開度e=1.8 m運(yùn)行工況相近,一級(jí)消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側(cè)內(nèi)坡的流速減小至約2.7 m/s~2.8 m/s;二級(jí)消力池出池流速減小,左、右兩側(cè)的出池流速約為2.9 m/s(見圖6)。
圖6 消能工修改方案1攔河閘壩泄流運(yùn)行流態(tài)
3.3 修改方案2試驗(yàn)結(jié)果
方案2明顯減輕了一級(jí)消力池下游陡坡段水流斜向撞擊左、右兩側(cè)斜坡段內(nèi)側(cè)坡的現(xiàn)象,且消力池兩側(cè)斜坡段設(shè)置的階梯削減了斜坡段的流速,減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力,有利于工程的安全運(yùn)行(見表3和圖7)。
(1) 攔河閘閘門開度e≤0.6 m運(yùn)行時(shí),由于一級(jí)消力池水面低于左、右兩側(cè)尾坎頂高程,加高的尾坎頂無溢流,攔河閘兩側(cè)邊孔出流斜向水流對(duì)其下游兩側(cè)邊坡的撞擊作用甚微。
(2) 攔河閘閘門開度e=1.8 m運(yùn)行時(shí),一級(jí)消力池內(nèi)水位約17.9 m,漫越一級(jí)消力池左、右兩側(cè)高尾坎的水深約0.7 m,一級(jí)消力池左、右兩側(cè)高坎出流斜向撞擊下游兩側(cè)內(nèi)坡的流速約1.9 m/s~2.1 m/s。二級(jí)消力池尾坎頂(樁號(hào)0+091.50)左、右兩側(cè)出流流速分別約2.1 m/s和2.3 m/s,下游河道(樁號(hào)0+140)兩側(cè)區(qū)域流速為1.5 m/s~1.7m/s。
表3 消能工修改方案2攔河閘壩運(yùn)行流速值
(3) 上游來流量增大、攔河閘閘門全開與溢流壩運(yùn)行時(shí)(泄流量Q=800 m3/s和1 200 m3/s,閘下游水位分別為13.42 m和14.57 m)。一級(jí)消力池水面高于加高的尾坎頂,水流漫越坎頂沿斜坡段下泄,斜坡段的階梯增加了泄流消能率,二級(jí)消力池尾坎頂出流流速約為2.1 m/s~2.5 m/s。
(4) 上游來流量為Q=1 860 m3/s(P=5%、閘下游水位為16.2 m)運(yùn)行時(shí),隨著泄流量增大,溢流壩泄流量相應(yīng)增大,左、右兩側(cè)的溢流壩堰面末端偶有水流起挑現(xiàn)象,攔河閘兩邊孔出流往左、右兩側(cè)擴(kuò)散程度減小。一級(jí)消力池水深增大,一、二級(jí)消力池的水位差減小,二級(jí)消力池水深加大,水流消能率增加,二級(jí)消力池出流較平順與下游河道水流銜接。
(5) 上游來流為設(shè)計(jì)洪水頻率流量(P=2%、Q=2 300 m3/s)運(yùn)行時(shí),左、右兩側(cè)的溢流壩下游末端水流略起挑,一級(jí)消力池左、右兩側(cè)水流波動(dòng)較中間的攔河閘段稍大。
圖7 消能工修改方案2攔河閘壩泄流運(yùn)行流態(tài)(攔河閘e=1.8 m)
3.4 討論
在攔河閘閘門局部開啟和全開運(yùn)行時(shí),消能工初選方案泄流經(jīng)一級(jí)消力池后,沿一級(jí)消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側(cè)斜坡段內(nèi)側(cè)坡,斜坡段及內(nèi)坡面區(qū)域的水流較集中,二級(jí)消力池左、右兩側(cè)尾坎頂出現(xiàn)較明顯的跌流現(xiàn)象,出池流速較大,導(dǎo)致其下游左、右兩側(cè)海漫段及下游河床區(qū)域流速較大,不利于工程的安全運(yùn)行。
消能工一級(jí)消力池末端左、右兩側(cè)尾坎頂加高特別是抬高1.2 m后,一級(jí)消力池出流斜向撞擊兩側(cè)斜坡段的流速明顯減小,二級(jí)消力池尾坎區(qū)域的跌流現(xiàn)象減弱。消能工修改方案1將一級(jí)消力池末端左、右兩側(cè)尾坎頂加高至16.8 m高程(長(zhǎng)度分別為18 m),一級(jí)消力池出流斜向撞擊兩側(cè)斜坡段的流速明顯減小,二級(jí)消力池尾坎區(qū)域的跌流現(xiàn)象減弱。
消能工修改方案2將一級(jí)消力池末端左、右兩側(cè)尾坎頂加高至17.2 m高程(加高的尾坎長(zhǎng)度分別為18 m),在左、右兩側(cè)所增加的尾坎坡面上增加一級(jí)外凸型階梯,并在一級(jí)消力池尾坎下游的左、右兩側(cè)斜坡段上增設(shè)6級(jí)外凸型階梯(見圖4)。該方案明顯減輕了一級(jí)消力池下游陡坡段水流斜向撞擊左、右兩側(cè)斜坡段內(nèi)側(cè)坡的現(xiàn)象,且消力池兩側(cè)斜坡段設(shè)置的階梯削減了斜坡段的流速,減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力,有利于工程的安全運(yùn)行。修改方案2在左、右兩側(cè)所增加的外凸型階梯消力池兩側(cè)斜坡段設(shè)置的階梯有助于泄流的湍流的發(fā)展,加快能量耗散、減小斜坡段的水流流速,從而減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力。
本文通過試驗(yàn)研究了攔河閘壩及其消能工運(yùn)行的水力特性,妥善解決攔河閘壩下游消能防沖的問題,為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)原設(shè)計(jì)方案存在一級(jí)消力池下游陡坡段斜向撞擊兩側(cè)斜坡段內(nèi)側(cè)坡,斜坡段及內(nèi)坡面區(qū)域的水流較集中,二級(jí)消力池左、右兩側(cè)尾坎頂出現(xiàn)較明顯的跌流現(xiàn)象,出池流速較大,且其下游左、右兩側(cè)海漫段及下游河床區(qū)域流速較大,不利于工程的安全運(yùn)行。試驗(yàn)通過在一級(jí)消力池末端左、右兩側(cè)尾坎頂高程增加和一級(jí)消力池尾坎下游兩側(cè)斜坡段上設(shè)置外凸型階梯,有效的降低了消力池出流斜向撞擊兩側(cè)斜坡段的流速,減輕了一級(jí)消力池下游陡坡段泄流斜向撞擊左、右兩側(cè)斜坡段內(nèi)側(cè)坡的現(xiàn)象,且消力池兩側(cè)斜坡段設(shè)置的外凸型階梯削減了斜坡段的流速,減輕了下游海漫段和防沖槽的消能壓力,有利于工程的安全運(yùn)行,建議工程設(shè)計(jì)采用。
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Experiments on Optimal Layout of Energy Dissipation of Low Head Sluice Reconstruction Project
CHEN Zhuoying1,2,3, NI Peitong1,2,3
(1.GuangdongProvincialWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Guangzhou,Guangdong510630,China;2.HydrodynamicResearchKeyLabofGuangdongProvince,Guangzhou,Guangdong510630,China;3.State-provinceJointEngineeringLaboratoryofEstuarineHydraulicTechnology,Guangzhou,Guangdong510630,China)
Gongqing River dam is a typical low-head water control project. Its the right bank which was found in danger situation in recent years because of sand extraction in the downstream. The physical model was built to study the hydraulic characteristics of the dam and solve the problem of energy dissipation and erosion prevention in the downstream. The results shows that by increasing the elevation of end sill at right and left sides of the first stilling pool and arranging convex type ladder on both sides at end of the first stilling pool, the stilling basin flow, the oblique flow hitting the left and right sides of the slope section in slope, the convex step cut slope flow and the velocity of downstream apron can all be effectively reduced.
Gongqing River dam; energy dissipater; convex type ladder; experiments
10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.009
2016-12-06
2017-01-22
廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2016-12)
陳卓英(1973—),女,廣東四會(huì)人,高級(jí)工程師,主要從事水工水力學(xué)方面的工作。E-mail: 576353001@qq.com
倪培桐(1971—),男,山東泰安人,高級(jí)工程師,主要從事水力學(xué)數(shù)值模型方面的工作。E-mail: 69383183@qq.com
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1672—1144(2017)02—0049—06