糯扎渡水利樞紐溢洪道摻氣減蝕模型試驗研究

糯扎渡水利樞紐溢洪道摻氣減蝕模型試驗研究

溢流道中甲溝的結(jié)構(gòu)類型對溢流道的含水量減少有重要意義，是模型試驗的關(guān)鍵。針對不同的排水條件，模擬采用了一套明溝模型。通過改變班卡的高度和班卡的傾斜角度，在不同的排水條件下測量了云槽模型。在不同的排水條件下，測量了云槽的空腔長度、空腔真空、云氣效果、云氣濃度的變化、空腔裝置的保護長度等。試驗選擇合理的空腔真空和合理的空腔長度作為首選方案，通過反復(fù)試驗、提出合理的云槽結(jié)構(gòu)形狀和云減少侵蝕措施。本文以糯扎渡溢洪道摻氣減蝕模型實驗結(jié)果為依據(jù),分析了坎高與單寬泄量、流速、水深、溢洪道底坡、挑坎挑角的關(guān)系等,建立了進行摻氣坎槽體型(坎高)計算的經(jīng)驗公式.通過該公式可以預(yù)先確定合適坎槽體型的選取范圍,可大大地減少模型試驗中尋找合適體型的方案數(shù)量,也為設(shè)計人員進行摻氣坎槽的設(shè)計提供參考.1溢洪道泄槽、摻氣坎槽模型糯扎渡水電站在云南省瀾滄江上,樞紐位于云南省思茅地區(qū),壩高261.5m,壩頂長608.11m,水庫總庫容約237×108m3,電站裝機容量約5600MW.左岸為開敞式溢洪道,堰頂高程792.00m,泄槽長1445m,其中:樁號0+50.81～0+178.0,底坡i=0.1332;樁號0+178.0～0+775.49,i=0.23;樁號0+775.49～0+885,i=0.026.泄槽總寬151.5m,用隔墻分為左、中、右三槽,每道中隔墻寬3.0m,左槽寬54.75m,中槽寬36m,右槽寬54.75m.溢洪道最大泄量為31673m3/s,相應(yīng)泄洪水頭181.5m,最大流速達51m/s,泄洪功率巨大,居國內(nèi)同類工程岸邊溢洪道之首.由于糯扎渡水利樞紐溢洪道泄槽泄洪水頭、單寬流量、流速都很大,進行整體模型試驗或是斷面模型試驗都是不可行的.根據(jù)摻氣減蝕模型試驗規(guī)程SL157—95,此次模型試驗截取包括摻氣坎槽在內(nèi)的上、下游泄槽段,置于高速水流槽中,對摻氣坎槽進行選型研究.溢洪道泄槽、摻氣坎槽模型按重力相似準則設(shè)計,滿足幾何相似、水流運動相似與動力相似.試驗分兩個階段進行:第一階段,通過模型坎槽結(jié)構(gòu)形式的變化(改變挑坎的高度、坎面坡度),模擬水流流態(tài),實測空腔負壓、空腔長度、空腔淹沒程度、單寬摻氣量、摻氣效果及摻氣濃度、沿程壓力分布等參數(shù),分析比較,尋求較優(yōu)的坎槽結(jié)構(gòu)形式(坎槽結(jié)構(gòu)尺寸、坎槽級數(shù)),把有足夠的空腔長度、適度的空腔負壓和充分的摻氣量的坎槽作為優(yōu)選,擬定推薦方案.第二階段,經(jīng)課題組與設(shè)計單位共同研究之后,對確認后的推薦方案,針對坎槽對應(yīng)的位置、流量、流速,按相應(yīng)的比尺,對各級坎槽有針對性地再進行水力模擬,實測上述所有參數(shù),分析、比較各級坎槽的空腔長度、空腔負壓、單寬摻氣量、摻氣效果等,確定摻氣減蝕設(shè)施的最優(yōu)方案.為消除縮尺影響,控制模型摻氣坎槽的坎頂水流斷面平均流速大于6m/s.由于模型試驗中要求的流量、流速大,本試驗綜合考慮下游量水所需水位、泄槽坡降、水泵揚程等因素,采用高水箱.水箱為全封閉,用鋼板制作,水流全壓,流道用鋼板做成的方管,出口段(0.8m)用有機玻璃制作,以保證和槽身平順相接,避免出現(xiàn)水翅.試驗水槽寬0.52m,長9.5m.考慮到水流運動的相似性,流道的出口用1∶4～1∶6的壓坡控制來流的流速方向與動水壓力.此次試驗坎上模型流速為6.83～7.10m/s,滿足摻氣減蝕模型試驗規(guī)程要求,雷諾數(shù)Re=7×105～1.2×106,韋伯數(shù)We=0.726×103～0.844×103,滿足雷諾數(shù)(粘性)、佛汝德數(shù)(慣性)、歐拉數(shù)(壓力)相似.2摻氣坎槽的坎高度據(jù)有關(guān)資料介紹,影響空腔形成及空腔負壓主要取決于坎高和通氣的良好程度.糯扎渡溢洪道由于底坡相對較緩,通過試驗發(fā)現(xiàn),坎面坡度、溢洪道底坡都影響坎槽體型,繼而影響摻氣減蝕效果.如圖1所示,摻氣坎槽的坎高度與坎上水流流速、單寬流量及挑坎的挑角和溢洪道的坡度有關(guān).通過分析可得d=f(ρ,g,v,h,α,θ)式中,d為坎高;ρ為水的密度;g為重力加速度;v為設(shè)坎處當?shù)亓魉?h為設(shè)坎處當?shù)厮?α為溢洪道底坡與水平面的夾角;θ為挑坎的挑角.通過試驗發(fā)現(xiàn),坎高與坎上水流流速成反比,與單寬流量(水深)成正比,與溢洪道的底坡與水平面的夾角α的大小成反比,與挑坎的挑角θ的大小成反比.通過量綱分析(π定理)可以導出d=KhFr-1cosαcosθ(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行整理、分析,用回歸法擬合出曲線(見圖2)和如下經(jīng)驗公式3計算3.1上挑坎槽及上挑坎槽烏江渡水電站樞紐布置采用整體式混凝土拱形重力壩,壩后式廠房.大壩設(shè)6孔溢洪道,其中兩邊孔采用廠頂溢流呈滑雪道型式,泄槽寬13m.為避免高速水流破壞,在溢流面設(shè)有兩道摻氣坎槽,上摻氣槽建在坡度為55.01°的溢流面上,挑坎坡度為4.84°,坎高61cm;下?lián)綒獠劢ㄔ谄露葹?4.44°的溢流面上,挑坎坡度為11.31°,坎高85cm.在1982年進行烏江渡水電工程泄水建筑物觀測中,得到如下一些相關(guān)信息:當庫水位為751.41m時,閘門全開,此時,左滑道溢流量為740m3/s時,上挑坎處平均水深為3.1m,下挑坎處平均水深為2.5m.對于上摻氣坎槽,把上面數(shù)據(jù)代入式(2)計算理論坎高d=0.642m;對于下?lián)綒饪膊?d=0.609m.烏江渡溢洪道上、下?lián)綒饪膊鄣膶嶋H坎高分別為0.61m、0.85m,代入式(2),得到上、下?lián)綒饪膊鄣目哺邽?.642m、0.609m.可見,上摻氣坎槽的坎高相差甚小,下?lián)綒饪膊鄣目哺呦嗖钶^大.因為在單寬一定的前提下,流速大則水深小,水流的佛氏數(shù)大,水流容易被挑射出去,故要求的坎較低.雖然烏江渡水電站溢洪道下部分底坡變緩要求的坎較高,但下?lián)綒饪膊鄣膶嶋H坎高為0.85m偏大了.若設(shè)計流量再大一些,那么,下?lián)綒饪膊鄣目哺呷艉线m,則上摻氣坎槽的坎高又偏低了.3.2摻氣坎槽高的確定六都寨主壩為粘土心墻土石壩,壩高70m,左岸設(shè)溢洪道,堰型為克奧工程Ⅱ型低堰,寬33m,堰體下游緊接縱坡為1∶4的陡槽,槽寬31m.設(shè)計運行流量為1820m3/s,運行流速介于23m/s和33m/s之間,為了防止陡槽空蝕,在槽中設(shè)了3道摻氣坎,坎高0.4m,坎坡度為1∶8,于1990年建成,經(jīng)原型觀測,運行減蝕及效能均好.經(jīng)計算得:第1級坎d=0.67m,第2級坎d=0.372m,第3級坎d=0.18m.用本經(jīng)驗公式計算結(jié)果第3級坎與實際工程的坎高情況接近,六都寨水利工程的摻氣坎槽3級坎高均為0.4m,顯然不盡合理.4坎面坡度.積分法的指數(shù)公式,如圖4應(yīng)用本文經(jīng)驗公式對烏江渡水電站溢洪道和六都寨水利樞紐溢洪道的摻氣坎槽的坎高進行了驗證性計算,說明了此公式的實用性.一