曲面貼角窄縫挑坎水力特性的研究

曲面貼角窄縫挑坎水力特性的研究

窄縫刺的開(kāi)口是一種收縮的消能工。與等寬的刺相比，通過(guò)兩側(cè)邊緣墻的收縮，可將水流垂直或垂直擴(kuò)散，使水流在空中完全混合。因此，水體的空間消耗得到了加強(qiáng)，水流進(jìn)入下游河流單位面積的能量減少，下游河流的清理減少。這在高水庫(kù)峽谷的排水和蓄水中非常有效。直墻窄縫挑坎是一種比較典型的窄縫挑坎,應(yīng)用較為廣泛,研究也比較成熟;曲面貼角窄縫挑坎是一種異型窄縫挑坎,在兩側(cè)邊墻處增設(shè)曲面貼角體,并在底部增設(shè)凹槽,目前曲面貼角窄縫挑坎的應(yīng)用和研究較少。本文分析了曲面貼角窄縫挑坎與傳統(tǒng)直墻窄縫挑坎在結(jié)構(gòu)、受力、水力特性等方面的差異,并從模型試驗(yàn)方面予以驗(yàn)證,為設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)提供一定的依據(jù)。1增設(shè)曲面貼角窄縫挑坎直墻窄縫挑坎(體型構(gòu)造可參考圖1)借助兩側(cè)邊墻的收縮壓迫過(guò)流水體形成縱向和豎向擴(kuò)散,使挑射水流形成充分的縱向和豎向擴(kuò)散,以加強(qiáng)水流的空間消能,擴(kuò)大水體落入河道的入水范圍,多數(shù)情況下,挑坎內(nèi)的過(guò)流水體都控制在兩側(cè)邊墻內(nèi)部,因而導(dǎo)致了其邊墻較高。另外,直墻窄縫挑坎水舌內(nèi)緣挑距隨泄量的變化而有較大幅度的差異,不利于水舌的穩(wěn)定跨岸。曲面貼角窄縫挑坎(體型構(gòu)造可參考圖2)在兩側(cè)邊墻處增設(shè)曲面貼角體,依靠?jī)蓚?cè)邊墻曲面貼角體將水流向中間導(dǎo)向,在大小流量下水舌流態(tài)都較為穩(wěn)定,且水流可高過(guò)兩側(cè)邊墻出流,水流在空中擠壓后形成縱向拉伸水舌,因水舌開(kāi)始擠壓的位置在挑坎稍后位置,可大大降低其邊墻高度。曲面貼角窄縫挑坎可以通過(guò)調(diào)整底槽的坡度來(lái)控制縱向拉開(kāi)水舌內(nèi)緣挑距,使其在小流量下也能順利跨越本岸。從龍羊峽水電站、東風(fēng)水電站及老渡口水電站實(shí)驗(yàn)資料看,曲面貼角窄縫挑坎邊墻高度分別約為直墻窄縫挑坎的1/3、2/5、1/3,表1給出部分已建工程窄縫挑坎結(jié)構(gòu)對(duì)比,可看出曲面貼角窄縫挑坎出口邊墻高度僅為直線邊墻窄縫挑坎的33.3%~40%,挑坎出口邊墻與泄槽邊墻高度之比及挑坎高寬比曲面貼角窄縫挑坎分別約為直線邊墻窄縫挑坎的27.5%、31.5%?？梢?jiàn)曲面貼角窄縫挑坎大大降低了挑坎邊墻高度及高寬比,對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性有利。2過(guò)坎破壁后水舌消減作用直墻窄縫挑坎的消能機(jī)理［４］為:通過(guò)兩側(cè)邊墻的收縮,挑坎內(nèi)水深沿程變大并形成表面沖擊波,水流經(jīng)過(guò)挑坎后,形成了充分的豎向拉開(kāi),上下各部位的水體形成了不同的拋射角,而且越接近自由面水體的拋射角越大,各部位水體以不同的拋射角度和出流速度在垂直面上運(yùn)動(dòng),如此使出坎水體形成了充分的縱向拉開(kāi)。水體在空中充分?jǐn)U散和摻氣耗散一部分動(dòng)能后落入下游河道,因上下部分水體挑射角度不同,挑距也相應(yīng)加大,水體入水范圍增大,削弱入射水流對(duì)下游河床的沖刷作用。同時(shí),過(guò)坎水流落入河道后通過(guò)河道水流的水墊作用,形成水流的橫向和縱向漩滾進(jìn)一步消減水流的能量。曲面貼角窄縫挑坎消能機(jī)理［５，６］為:兩側(cè)邊墻和曲面貼角體將水舌向中間導(dǎo)向,使水舌自身在空中劇烈擠壓,改變水流質(zhì)點(diǎn)間的相互作用和水舌結(jié)構(gòu),加劇了水流的紊動(dòng)耗能。水舌擠壓后產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散,在縱向成薄形扇狀,外部水舌側(cè)卷形成一定的橫行擴(kuò)散,底槽水舌也形成了一定的橫向擴(kuò)散,進(jìn)一步分散水舌的入水點(diǎn)。水舌受空氣阻力和摻氣作用消減部分能量后,形成縱向、橫向、豎向空間立體式擴(kuò)散入水,增大了水體入水面積,減小了入水單寬能量,通過(guò)水墊作用水流以擴(kuò)散、旋滾和紊動(dòng)剪切等形式進(jìn)一步耗能,有效降低射流對(duì)下游河床的沖刷強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)比可看出,直墻窄縫挑坎的水舌可以形成較好的豎向和縱向的拉伸,但橫向擴(kuò)散較差;而曲面貼角窄縫挑坎通過(guò)兩側(cè)邊墻和貼角體將水流向中間導(dǎo)向,加劇過(guò)流水體的碰撞擠壓消能,水流形成縱向、橫向和豎向的充分?jǐn)U散,減小單位面積內(nèi)的入水能量,有效減輕對(duì)下游河道的沖刷作用。3邊墻與貼角體的受力分析直墻窄縫挑坎兩側(cè)邊墻急劇收縮,使過(guò)流水體動(dòng)能轉(zhuǎn)為位能,在窄縫出口擠出形成豎向拉開(kāi),因而邊墻較高,其承受動(dòng)水壓力和水平推力作用點(diǎn)較高,導(dǎo)致邊墻承受較大的力和彎矩;而曲面貼角窄縫挑坎兩側(cè)邊墻和貼角體只是提供一個(gè)擠壓水流條件,將過(guò)流水體向中間導(dǎo)向,因而邊墻較低,且兩側(cè)曲面貼角體表面為傾斜面,所承受的動(dòng)水壓力垂直作用于曲面貼角體指向兩側(cè)下方,合力作用點(diǎn)較低,故受力狀態(tài)及穩(wěn)定性較好。表2列出了曲面貼角窄縫挑坎和直墻窄縫挑坎的受力對(duì)比:壓強(qiáng)水頭Pｍａｘ與速度水頭v２/2g的比值受大壩落差及流速影響較大,存在隨大壩落差增大而減小的趨勢(shì);水流紊動(dòng)系數(shù)(脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根Pｍａｘ與最大時(shí)均壓強(qiáng)的比值)相比,曲面貼角窄縫挑坎明顯小于直墻窄縫挑坎。以上結(jié)果說(shuō)明曲面貼角窄縫挑坎體型結(jié)構(gòu)較合理,水流紊動(dòng)較小,泄洪時(shí)更有利于保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。4兩種類型的窄縫試驗(yàn)結(jié)果的比較分析4.1工程模型設(shè)計(jì)黃河瑪爾擋水電站是位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣拉加鄉(xiāng)上游約5km的黃河干流上的混凝土面板堆石壩,最大壩高211m,泄洪水頭達(dá)190m,泄水建筑物相鄰右岸壩肩布置,采用右岸3孔溢洪道及1孔泄洪洞,溢洪道泄槽段由兩中隔墻分開(kāi),每孔泄槽寬度為11.8m,泄槽陡坡段緊接鼻坎反弧段,左、中、右3孔鼻坎采用挑流消能工。設(shè)計(jì)洪水(P=0.1%)下,庫(kù)水位為3275m,下游水位為3087.49m,實(shí)驗(yàn)泄量為5760m３/s;百年一遇洪水下,庫(kù)水位為3275m,下游水位為3086.25m,實(shí)驗(yàn)泄量為4390m３/s。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作,模型長(zhǎng)度比尺為L(zhǎng)ｒ=100,模型制作范圍為:上游庫(kù)區(qū)做至壩軸線以上775m,下游河道做至下游壩坡坡腳以下約1200m。下游動(dòng)床按設(shè)計(jì)提供的消能區(qū)河床基巖抗沖流速V=4.5~5m/s和覆蓋層抗沖流速V=1.5m/s以天然散粒體沙石模擬河床基巖和覆蓋層?？紤]阻力相似的要求及便于觀測(cè),樞紐及泄洪建筑物均采用有機(jī)玻璃制作。4.2溢洪道三孔水舌集中,ldp水受制通過(guò)對(duì)溢洪道三孔挑坎體型優(yōu)化比選,發(fā)現(xiàn)由于三孔挑坎布置集中,即使三孔泄槽都能形成完整的、擴(kuò)散充分的水舌,其入水前后位置也無(wú)法完全錯(cuò)開(kāi),造成水舌入水集中,使下游沖刷深度不能滿足設(shè)計(jì)要求;只有盡量使溢洪道三孔水舌擴(kuò)散充分且均勻、入水區(qū)域大而分散、避免三孔水舌相互疊加,才能減輕下游沖刷,保證左右岸坡的安全?？偨Y(jié)分析以往工程經(jīng)驗(yàn),窄縫式挑坎可以實(shí)現(xiàn)上述目的,因此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了直墻窄縫挑坎、曲面貼角窄縫挑坎的對(duì)比實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)兩種窄縫挑坎進(jìn)行結(jié)構(gòu)、水舌流態(tài)、沖刷效果對(duì)比分析,曲面貼角窄縫挑坎都占明顯優(yōu)勢(shì)。4.2.1兩種類型的窄縫和傾斜結(jié)構(gòu)直墻窄縫挑坎、曲面貼角窄縫挑坎結(jié)構(gòu)詳圖分別見(jiàn)圖1、圖2。4.2.2挑坎出口邊墻對(duì)比比較分析直墻窄縫挑坎和曲面貼角窄縫挑坎的結(jié)構(gòu)差別(見(jiàn)表3),從表3可看出,挑坎出口邊墻高度曲面貼角窄縫挑坎比直墻窄縫挑坎降低了約1/2;挑坎最大高差減少了5m;高寬比約減小了2倍,大大降低了挑坎高度,有利于保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。4.2.3入水范圍較小設(shè)計(jì)水位下直墻窄縫挑坎和曲面貼角窄縫挑坎的水舌流態(tài)分別見(jiàn)圖3(a)、3(b),可看出:直墻窄縫挑坎三孔挑坎水舌縱向拉伸較好,但橫向擴(kuò)散有限,挑坎收縮急劇導(dǎo)致水流交匯碰撞而激起水花,流態(tài)較為紊亂,三孔水舌分散入水但落點(diǎn)相對(duì)集中,入水范圍較窄;曲面貼角窄縫挑坎三孔出流水舌流態(tài)較為平穩(wěn),形成較好的縱向、豎向拉伸和橫向擴(kuò)散,水舌形成空間上立體散開(kāi),左右孔水舌分別向左、向右側(cè)卷,三孔水舌互不疊加分散入水,入水范圍較大。因三孔挑坎水舌流態(tài)基本一致,現(xiàn)以中孔為例,設(shè)計(jì)水位下兩種挑坎中孔水舌各指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表4,曲面貼角窄縫挑坎水舌各指標(biāo)都比直墻窄縫挑坎占優(yōu)勢(shì),曲面貼角窄縫挑坎水舌形成縱向、橫向、豎向較為充分的擴(kuò)散,增大了入水范圍,減小了入水單寬能量,有利于減輕對(duì)下游河道的沖刷作用。4.2.4曲面貼角窄縫挑坎兩種窄縫挑坎設(shè)計(jì)洪水與百年一遇洪水泄洪時(shí)下游河道沖刷情況見(jiàn)表5。設(shè)計(jì)洪水和百年一遇洪水下游河道最大沖刷深度曲面貼角窄縫挑坎比直墻窄縫挑坎分別降低80.6%、66.7%,可見(jiàn)曲面貼角窄縫挑坎大大減輕了對(duì)下游河道的沖刷作用,說(shuō)明曲面貼角窄縫挑坎下泄水舌空間擴(kuò)散充分,消能效果較好。5曲面貼角窄縫挑坎的優(yōu)點(diǎn)分析本文結(jié)合瑪爾擋水電站水力模型實(shí)驗(yàn),將曲面貼角窄縫挑坎與傳統(tǒng)直墻窄縫挑坎進(jìn)行體型結(jié)構(gòu)、消能機(jī)理、受力特點(diǎn)上的對(duì)比分析,研究結(jié)果