赤吟橡膠壩不同塌落度下水力特性的試驗研究

馮小麗，劉 達，王麗雯

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510635；3.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

赤吟水閘樞紐工程位于龍江河下游惠來縣南海鎮(zhèn)，是以灌溉為主，結(jié)合供水、改善下游農(nóng)田排澇條件和神泉港水環(huán)境綜合利用水閘樞紐工程。水閘正常蓄水位為3.50 m，相應(yīng)庫容為853萬m3。樞紐工程50年一遇的設(shè)計洪水流量為4 042 m3/s，100年一遇的校核洪水流量為4 590 m3/s，工程屬Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。在工程可研階段，比選了兩個方案。方案一是在龍江河汊口的新河道赤吟處設(shè)一橡膠壩，在老河道邦莊處設(shè)一攔河閘，形成河道型水庫(見圖1所示)。方案二則保持邦莊的攔河閘以及船閘的設(shè)計不變，把赤吟處的橡膠壩改為14孔的攔河閘。

圖1 赤吟水閘樞紐工程平面布置示意

由于樞紐在兩個汊道布置了雙水閘[1-3]，又處于彎道，其聯(lián)合行洪的水流流態(tài)較為復(fù)雜[4-5]，故需通過物理模型試驗進行研究。

本文主要研究橡膠壩不同塌落度時的流態(tài)、過流能力及下游消能安全水位[6]。赤吟橡膠壩設(shè)計采用對稱布置，包括壩袋、壩基礎(chǔ)底板、中墩、邊墩、上游鋪蓋、上下游翼墻、上下游護坡、下游消力池及海漫段。每跨壩面長為97.6 m，壩底長為78 m，壩袋頂高程為3.50 m(設(shè)計壩高4.60 m)。在橡膠壩下游設(shè)消力池，消力池長度為18 m，池深為1.5 m，池底高程為-2.50 m，尾檻頂高程為-1.00 m；在消力池后面設(shè)有海漫及防沖槽，海漫及防沖槽長度為42 m(見圖2)。

2 模型設(shè)計與制作

橡膠壩斷面模型截取20 m長的壩袋進行模擬。模型按佛汝德(Froude)相似定律設(shè)計為正態(tài)，模型幾何比尺Lr=40。橡膠壩底板、閘墩、消力池、橡膠壩壩袋等水工建筑物均采用杉木精制、石蠟拋光，可滿足糙率相似的要求。

圖2 赤吟橡膠壩斷面模型設(shè)計方案布置示意

試驗?zāi)M了上游正常蓄水位，邦莊攔河閘8孔全開、赤吟橡膠壩塌落下泄多余洪水，處于不同塌落度時的工況[3-4]。不同塌落度的剖面形態(tài)見圖3及表1。

圖3 不同塌落度的剖面形態(tài)示意

表1 各級壩高編號及壩頂高程 m

3 橡膠壩塌落試驗研究成果分析

3.1 橡膠壩的消能流態(tài)及消能安全水位

泄洪時，橡膠壩是均勻緩慢地塌落。開始溢流時，隨著水位差增大，壩袋緩慢塌落，單寬流量逐漸增加，下游水深相應(yīng)增加，水位差逐漸減少；當(dāng)壩袋塌平后，水位差接近于零。

工程可研報告中橡膠壩的運行方式，邦山攔河閘來水量Q為：1 490 m3/s(P=50%)

原設(shè)計方案試驗結(jié)果表明，當(dāng)上游為正常蓄水位3.50 m、下游遭遇最低潮位-1.01 m(最不利工況)，泄流量為108.95 m3/s時，橡膠壩開始塌落至壩高3.90 m(高程2.80 m)，水流從高處順壩袋跌落，在消力池斜坡段形成水躍，坎后出現(xiàn)跌水。原設(shè)計方案不能滿足安全消能的要求，為此，對原方案的消能工進行了修改。

經(jīng)優(yōu)化，將消力池水平段池長延長至20 m，降低池底高程至-3.50 m，設(shè)消力墩，同時將消力池尾坎高程降至-2.00 m，坎后接1:23.5斜坡海漫段(見圖4所示)。最不利工況結(jié)果表明，橡膠壩開始塌落至壩高3.90 m時，壩頂堰上水頭較低，下泄流量小，水流緊貼壩面而下，在壩后底板以及消力池內(nèi)形成較薄水墊，下泄水流撞擊消力墩后，在消力池斜坡段形成穩(wěn)定的強迫水躍。水流經(jīng)消力池消能后，出坎水流較平順，最大底流速為1.33 m/s，海漫中段的最大底流速已經(jīng)降為0.51 m/s，至防沖槽末端，流速已經(jīng)減小至0.39 m/s，與下游天然河道水流正常銜接，消能效果良好。

隨著壩袋逐漸下塌，壩前一段距離內(nèi)水面線逐漸變陡，堰上水頭和單寬流量都逐步增大，過壩水流動能加大，除塌落壩高0.70 m的工況外，其余工況水流均能在與消力墩發(fā)生碰撞后在消力池斜坡段形成穩(wěn)定水躍，水流發(fā)生較強烈的紊動摻氣消能。當(dāng)上游為正常蓄水位3.50 m時，塌壩高度為3.10 m、2.30 m、1.50 m、0.70 m工況的消力池坎后最大底流速分別為1.52 m/s、2.18 m/s、2.59 m/s、2.29 m/s，消能效果良好(見圖5)，出池水流與下游河道水流平順銜接。當(dāng)上游為正常蓄水位1.50 m時，塌壩高度為1.50 m和0.70 m工況的消力池坎后最大底流速分別為1.54 m/s和1.91 m/s，出池水流亦能與下游河道水流平順銜接[7]。

圖4 赤吟橡膠壩斷面模型優(yōu)化方案布置示意(單位：高程 m，長度 mm)

圖5 赤吟橡膠壩斷面模型優(yōu)化方案流態(tài)示意

在正常蓄水位工況下，橡膠壩會處于不同的塌落度進行塌壩溢流，宣泄多余洪水流量，以維持上游正常蓄水位。試驗中，分別模擬橡膠壩處于近期1.50 m正常蓄水位下的3個塌落度以及遠期3.50 m正常蓄水位的5個塌落度的運行工況，成果見表2。該河段屬于感潮河段，下游難以確定穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，因此，除初始塌落工況的下游水位以歷年最低低潮位-1.01 m作為控制水位，其他塌落度工況均以水躍在消力池發(fā)生穩(wěn)定水躍，滿足安全消能為條件控制下游水位。

表2 赤吟橡膠壩不同塌落度泄流量及下游安全水位

3.2 橡膠壩不同塌落度時的過流能力

橡膠壩在不同塌落度時，自由泄流條件下，上游水位對應(yīng)的泄流量。從圖6可看出，同一塌落高度，上游水位越高，下泄流量越大，同時流量越大，上游水位升高逐漸緩慢。

圖6 橡膠壩不同塌落度的上游水位與泄流量關(guān)系曲線示意

試驗研究下游水位變化對橡膠壩過流能力的影響見表3。結(jié)果表明：橡膠壩泄流時，下游水位只有上升到一定高度才會對上游過流造成頂托影響。因此，實際橡膠壩泄流時受下游潮位漲落的影響較小，過流能力較為穩(wěn)定。橡膠壩實際操作過程中可以通過調(diào)整塌落壩高靈活控制下泄流量。

表3 正常蓄水位3.5 m時對上游產(chǎn)生頂托影響的下游臨界水位

3.3 橡膠壩運行管理建議

1) 由于橡膠壩充起和塌落的周期較長，汛期應(yīng)根據(jù)天氣預(yù)報和上游洪水預(yù)報，預(yù)先騰空庫容，削減洪峰，保證橡膠壩安全，避免上游淹沒損失。

2) 橡膠壩初始泄流時，由于此時下游水位較低，塌壩速度應(yīng)加以控制，突然泄放較大流量，易造成下游水工建筑物破壞；因此，橡膠壩應(yīng)該先塌落0.3～0.6 m的高度，泄流一段時間后，待下游水位上升達到下游消能的安全水位后，再繼續(xù)下塌。

3) 當(dāng)橡膠壩溢流時，必須隨時進行觀測，避免壩袋發(fā)生振動。若在溢流時出現(xiàn)振動現(xiàn)象，應(yīng)加快充排速度，迅速改變壩高，以減輕或消除振動現(xiàn)象。

4) 應(yīng)盡量避免橡膠壩長時間處于較低的壩高進行大流量泄流，以免由于水流強脈動造成壩袋貼地部分磨損破壞。

5) 為防止橡膠壩老化、延長壩袋的使用期，需及時檢查壩袋的情況，如出現(xiàn)老化裂紋，應(yīng)及早進行表面涂防老層的處理，同時注意遮掩壩袋，避免直接照射，盡量保證橡膠壩壩面經(jīng)常過流[8]。

4 結(jié)語

本文通過赤吟橡膠壩斷面物理模型試驗，研究了橡膠壩的塌落度形態(tài)，測試橡膠壩在不同塌落度時，上游水位對應(yīng)的橡膠壩泄流量。試驗表明，同一塌落高度的橡膠壩，上游水位越高，下泄流量越大。研究了不同流量和塌落度組合工況下，橡膠壩壩后消能的流態(tài)，優(yōu)化壩后消力池和海漫段的布置，并提出了不同流量對應(yīng)的消能安全水位，還提出了赤吟橡膠壩今后運行的調(diào)度規(guī)則、管理建議?？晒╊愃乒こ淘O(shè)計和運行參考。