糯扎渡水利枢纽溢洪道掺气减蚀模型试验研究

糯扎渡水利枢纽溢洪道掺气减蚀模型试验研究

溢流道中甲沟的结构类型对溢流道的含水量减少有重要意义，是模型试验的关键。针对不同的排水条件，模拟采用了一套明沟模型。通过改变班卡的高度和班卡的倾斜角度，在不同的排水条件下测量了云槽模型。在不同的排水条件下，测量了云槽的空腔长度、空腔真空、云气效果、云气浓度的变化、空腔装置的保护长度等。试验选择合理的空腔真空和合理的空腔长度作为首选方案，通过反复试验、提出合理的云槽结构形状和云减少侵蚀措施。本文以糯扎渡溢洪道掺气减蚀模型实验结果为依据,分析了坎高与单宽泄量、流速、水深、溢洪道底坡、挑坎挑角的关系等,建立了进行掺气坎槽体型(坎高)计算的经验公式.通过该公式可以预先确定合适坎槽体型的选取范围,可大大地减少模型试验中寻找合适体型的方案数量,也为设计人员进行掺气坎槽的设计提供参考.1溢洪道泄槽、掺气坎槽模型糯扎渡水电站在云南省澜沧江上,枢纽位于云南省思茅地区,坝高261.5m,坝顶长608.11m,水库总库容约237×108m3,电站装机容量约5600MW.左岸为开敞式溢洪道,堰顶高程792.00m,泄槽长1445m,其中:桩号0+50.81～0+178.0,底坡i=0.1332;桩号0+178.0～0+775.49,i=0.23;桩号0+775.49～0+885,i=0.026.泄槽总宽151.5m,用隔墙分为左、中、右三槽,每道中隔墙宽3.0m,左槽宽54.75m,中槽宽36m,右槽宽54.75m.溢洪道最大泄量为31673m3/s,相应泄洪水头181.5m,最大流速达51m/s,泄洪功率巨大,居国内同类工程岸边溢洪道之首.由于糯扎渡水利枢纽溢洪道泄槽泄洪水头、单宽流量、流速都很大,进行整体模型试验或是断面模型试验都是不可行的.根据掺气减蚀模型试验规程SL157—95,此次模型试验截取包括掺气坎槽在内的上、下游泄槽段,置于高速水流槽中,对掺气坎槽进行选型研究.溢洪道泄槽、掺气坎槽模型按重力相似准则设计,满足几何相似、水流运动相似与动力相似.试验分两个阶段进行:第一阶段,通过模型坎槽结构形式的变化(改变挑坎的高度、坎面坡度),模拟水流流态,实测空腔负压、空腔长度、空腔淹没程度、单宽掺气量、掺气效果及掺气浓度、沿程压力分布等参数,分析比较,寻求较优的坎槽结构形式(坎槽结构尺寸、坎槽级数),把有足够的空腔长度、适度的空腔负压和充分的掺气量的坎槽作为优选,拟定推荐方案.第二阶段,经课题组与设计单位共同研究之后,对确认后的推荐方案,针对坎槽对应的位置、流量、流速,按相应的比尺,对各级坎槽有针对性地再进行水力模拟,实测上述所有参数,分析、比较各级坎槽的空腔长度、空腔负压、单宽掺气量、掺气效果等,确定掺气减蚀设施的最优方案.为消除缩尺影响,控制模型掺气坎槽的坎顶水流断面平均流速大于6m/s.由于模型试验中要求的流量、流速大,本试验综合考虑下游量水所需水位、泄槽坡降、水泵扬程等因素,采用高水箱.水箱为全封闭,用钢板制作,水流全压,流道用钢板做成的方管,出口段(0.8m)用有机玻璃制作,以保证和槽身平顺相接,避免出现水翅.试验水槽宽0.52m,长9.5m.考虑到水流运动的相似性,流道的出口用1∶4～1∶6的压坡控制来流的流速方向与动水压力.此次试验坎上模型流速为6.83～7.10m/s,满足掺气减蚀模型试验规程要求,雷诺数Re=7×105～1.2×106,韦伯数We=0.726×103～0.844×103,满足雷诺数(粘性)、佛汝德数(惯性)、欧拉数(压力)相似.2掺气坎槽的坎高度据有关资料介绍,影响空腔形成及空腔负压主要取决于坎高和通气的良好程度.糯扎渡溢洪道由于底坡相对较缓,通过试验发现,坎面坡度、溢洪道底坡都影响坎槽体型,继而影响掺气减蚀效果.如图1所示,掺气坎槽的坎高度与坎上水流流速、单宽流量及挑坎的挑角和溢洪道的坡度有关.通过分析可得d=f(ρ,g,v,h,α,θ)式中,d为坎高;ρ为水的密度;g为重力加速度;v为设坎处当地流速;h为设坎处当地水深;α为溢洪道底坡与水平面的夹角;θ为挑坎的挑角.通过试验发现,坎高与坎上水流流速成反比,与单宽流量(水深)成正比,与溢洪道的底坡与水平面的夹角α的大小成反比,与挑坎的挑角θ的大小成反比.通过量纲分析(π定理)可以导出d=KhFr-1cosαcosθ(1)根据实验数据进行整理、分析,用回归法拟合出曲线(见图2)和如下经验公式3计算3.1上挑坎槽及上挑坎槽乌江渡水电站枢纽布置采用整体式混凝土拱形重力坝,坝后式厂房.大坝设6孔溢洪道,其中两边孔采用厂顶溢流呈滑雪道型式,泄槽宽13m.为避免高速水流破坏,在溢流面设有两道掺气坎槽,上掺气槽建在坡度为55.01°的溢流面上,挑坎坡度为4.84°,坎高61cm;下掺气槽建在坡度为24.44°的溢流面上,挑坎坡度为11.31°,坎高85cm.在1982年进行乌江渡水电工程泄水建筑物观测中,得到如下一些相关信息:当库水位为751.41m时,闸门全开,此时,左滑道溢流量为740m3/s时,上挑坎处平均水深为3.1m,下挑坎处平均水深为2.5m.对于上掺气坎槽,把上面数据代入式(2)计算理论坎高d=0.642m;对于下掺气坎槽,d=0.609m.乌江渡溢洪道上、下掺气坎槽的实际坎高分别为0.61m、0.85m,代入式(2),得到上、下掺气坎槽的坎高为0.642m、0.609m.可见,上掺气坎槽的坎高相差甚小,下掺气坎槽的坎高相差较大.因为在单宽一定的前提下,流速大则水深小,水流的佛氏数大,水流容易被挑射出去,故要求的坎较低.虽然乌江渡水电站溢洪道下部分底坡变缓要求的坎较高,但下掺气坎槽的实际坎高为0.85m偏大了.若设计流量再大一些,那么,下掺气坎槽的坎高若合适,则上掺气坎槽的坎高又偏低了.3.2掺气坎槽高的确定六都寨主坝为粘土心墙土石坝,坝高70m,左岸设溢洪道,堰型为克奥工程Ⅱ型低堰,宽33m,堰体下游紧接纵坡为1∶4的陡槽,槽宽31m.设计运行流量为1820m3/s,运行流速介于23m/s和33m/s之间,为了防止陡槽空蚀,在槽中设了3道掺气坎,坎高0.4m,坎坡度为1∶8,于1990年建成,经原型观测,运行减蚀及效能均好.经计算得:第1级坎d=0.67m,第2级坎d=0.372m,第3级坎d=0.18m.用本经验公式计算结果第3级坎与实际工程的坎高情况接近,六都寨水利工程的掺气坎槽3级坎高均为0.4m,显然不尽合理.4坎面坡度.积分法的指数公式,如图4应用本文经验公式对乌江渡水电站溢洪道和六都寨水利枢纽溢洪道的掺气坎槽的坎高进行了验证性计算,说明了此公式的实用性.一