土石坝溢洪道泄槽掺气挑坎对水面线起算深水的影响

土石坝溢洪道泄槽掺气挑坎对水面线起算深水的影响

随着新疆辽沟溢流板堆石水库的建设和浙江桐柏引水蓄能站下坝流板堆石水库的建设，对直接定义土石坝水库溢流通道的问题越来越受到重视。由于土石坝坝体溢洪道泄水安全问题比一般岸边溢洪道更为重要,因此在确定土石坝坝体溢洪道泄槽水面线及其边墙高度时,应科学合理,既不要造成浪费,又要确保溢流土石坝下游坝坡安全。下面就土石坝坝体溢洪道泄槽水面线若干问题进行分析探讨,提出几点建议,供类似工程参考。1试验数据分析起算水深是泄槽水面线起始计算断面的水深,其取值的大小会对计算水面线有所影响。早期建成的过水土坝及近期建成的溢流面板堆石坝,其溢流堰顶大多采用梯形堰形式,但也有一些工程为提高溢流堰的泄流能力,通过一些结构措施缩短了坝顶宽度,从而采用了圆弧堰等曲线形堰,如新疆榆树沟溢流面板堆石坝工程等。本文通过物理模型试验分别对梯形堰、圆弧堰及翼形堰等几种可应用于土石坝坝体溢洪道的堰型的起算断面位置和起算水深进行了试验分析。当坝体溢洪道采用梯形堰形式时,起算断面的位置一般在堰顶面与下游坡面相交处;当坝体溢洪道采用圆弧堰或翼型堰(见图1)等曲线堰型时,由于水流过堰后纵向收缩程度不同,其起算断面的位置及水深值与梯形堰有一定的差别。与梯形堰相比,圆弧堰及翼形堰等曲线形堰的下游堰面曲线相对较长,所以其起算断面略向下游偏移。起算水深的试验成果见图1、图2、图3。经观测发现:圆弧曲线堰与翼形堰的起算水深均小于0.7倍临界水深hk,并且起算水深h与临界水深hk之间有良好的直线相关性,均可以h=0.7hk-B来表示,式中B为图2、图3中纵轴截距。试验结果表明B值的取值区间为0.6～0.9;不同的B值范围对应不同的堰型,圆弧曲线堰B值取值范围为0.6～0.8,翼形堰的B值为0.7～0.9;B值的大小与堰体的体型有关,堰体越肥厚则B值越小,数据点愈接近h=0.7hk线。在本试验中,观测发现梯形堰的起算水深介于临界水深hk和0.7hk之间,与文献的试验研究成果相近。即在一定条件下,梯形堰的起算水深较之临界水深略小。2试验结果分析土石坝坝体溢洪道泄槽的坡度陡,流速较高,一般都需设置掺气槽来减免空蚀破坏。国内近期建成和在建的几座溢流面板堆石坝的泄槽底板,采用了掺气槽与泄槽底板横缝相结合的叠瓦式构造形式,即在泄槽底板每道横缝处均设置掺气槽,因此在泄槽中出现了多道掺气槽的情况。为保证掺气减蚀效果,同时尽量减小掺气槽挑坎对泄槽水流的扰动,其掺气槽大多采用挑跌坎结合形式(见图4)。尽管如此,已有的试验表明,掺气挑坎仍然对水流有较大的扰动,使得泄槽中的水面在挑坎后发生局部壅高;多道掺气槽会造成水流被多次挑起,泄槽内水面线出现波动。中国水利水电科学研究院和南京水利科学研究院曾分别就保尔德混凝土面板堆石坝坝面溢流方案进行过试验研究,在其试验结果中也出现了这种掺气挑坎对泄槽水面线扰动现象,该溢洪道泄槽原型宽度8m。根据文献的试验结果,将试验水面线绘于图5中,并与不设掺气槽情况下的泄槽理论计算水面线进行比较可以看出,在第一道掺气槽之前的泄槽段,试验水面线与计算水面线基本吻合,之后由于掺气挑坎对水流的扰动作用,试验水面线有明显的抖动,试验水面线的峰值点均为掺气挑坎的挑流作用造成,即在掺气挑坎后的试验水深大于计算水深;而且随流速的增加,挑坎对泄槽水流的扰动作用也愈为明显。与图5的结果类似,文献试验测得的掺气槽挑坎后水深值与本文计算水深值之间也有相似的差异,见表1。从表1中数据可见,自第1道掺气槽开始,试验水深均大于计算水深,两者比值的最大值发生在第3道掺气挑坎后,达1.31。南京水利科学研究院为优化掺气挑坎的体型,对保尔德工程泄槽上4道掺气槽的挑坎高和挑坎坡度进行了3种不同布置方案的试验比较,其掺气挑坎后的试验水深值以及相应位置处的计算水深值见表2。由图5及表1、表2可知:①泄槽设置掺气槽后,由于掺气挑坎对水流的挑流和扰动作用,使得泄槽内的水深增加(即大于不设掺气槽情况下的泄槽水深)。②随着泄槽水流流速的增加,挑坎对泄槽水流的扰动作用也愈为明显,此时水流对挑坎高度的变化也更为敏感。③掺气挑坎对水面线的影响程度,与流速、掺气挑坎的体型等因素有关,当泄槽内设置多道掺气槽时,上一级掺气挑坎的体型对下一级掺气挑坎处的水深也有一定的影响。设置掺气槽的泄槽,其掺气挑坎除了对泄槽水面线有扰动外,还会在一定程度上增大作用于泄槽底板的局部拖曳力和脉动压力。因此,对于土石坝坝体溢洪道的泄槽,在设置掺气槽时,应注意优化掺气挑坎的体型,特别在流速较大的部位,应控制挑坎高度和挑坎挑角。为保证土石坝坝体溢洪道的泄水安全,在泄槽内设置掺气挑坎的情况下,确定溢洪道泄槽边墙高度时,应考虑掺气挑坎对水面线的扰动影响。若无条件进行模型试验,建议在泄槽计算水面线的基础上,参考以上试验结果及具体工程的实际挑坎结构类型,增加30%～50%水深作为考虑掺气挑坎扰动影响后的水深值。另外,清华大学杨永森等曾就掺气槽挑坎的水力特性做过系统的研究,通过理论与试验研究,提出了掺气槽挑坎坎后最大水深计算公式,本文利用该公式按文献试验模型的水力参数及结构尺寸对掺气挑坎坎后水深进行了估算,并与坎后试验水深值进行对比,结果见表3。从表3中数据可见,利用文献的公式计算所得的坎后计算水深值与试验实测的坎后数据比较吻合,因此,在考虑掺气挑坎对水面线的扰动影响,确定边墙高度时,也可考虑按文献的方法对坎后水深进行估计。3掺气挑坎对水面线的影响(1)当坝体溢洪道采用圆弧堰或翼形堰等曲线堰型时,泄槽水面线起算水深小于0.7倍临界水深hk。在无试验条件情况下,采用0.7倍的临界水深作为起算水深是偏于安全的。(2)泄槽设置掺气槽后,由于掺气挑坎对水流的扰动和挑流作用,使得泄槽内的水深增大,为保证土石坝坝体溢洪道的泄水安全,在确定其泄槽边墙高度时,应考虑掺气挑坎对水面线的扰动影响。(3)掺气挑坎对水面线的影响程度,与流速、掺气挑坎的体型等因素有关;当泄槽内设置多道掺气槽时,上一级掺气挑坎的体型对下一级掺气挑坎后的水深也有一定的影响。泄槽水流在流速较大处对掺气槽挑坎的高度极为敏感,因此,应注意控制挑坎高度和挑坎挑角。当泄槽设置多道掺气槽时,建议掺气挑坎的挑角和坎高应随流速增加而减小为宜;特别对位于泄槽末端的