曲面贴角窄缝鼻坎水力学模型试验研究

曲面贴角窄缝鼻坎水力学模型试验研究

1坝体结构形式弯曲的角和窄缝的鼻角是一种收缩的消能工。除了传统的窄缝鼻子边的优点外，还具有低边缘墙（鼻角的末端边缘墙的高度通常为1.3）的优点。稳定性好，对大小流量适应性强，舌水分散，低边缘间隙稳定（舌水穿越工作台或土壤保护），耐磨性好，磨损深度浅等优点。曲面贴角鼻坎已成功应用到龙羊峡溢洪道、东风水电站溢洪道、洪家渡泄洪洞等大型水利工程的泄水建筑物上。但是,这种鼻坎在大坝中孔上应用较少,本文结合张河湾抽水蓄能电站下水库拦河坝水力学模型试验,对其中孔直边墙窄缝鼻坎和曲面贴角窄缝鼻坎进行了对比研究。试验结果表明,曲面贴角窄缝鼻坎应用在具有中等佛氏数水流的拦河坝中孔上是合理可行的。2主要建筑物泄水情况张河湾抽水蓄能电站下水库位于河北省石家庄市井陉县测鱼乡境内的甘陶河干流上。电站总装机容量1000MW,主要担负冀南电网调峰、填谷、调相和事故备用任务。张河湾抽水蓄能电站下水库工程为Ⅰ等工程,主要建筑物为(1)级建筑物,最大坝高77.35m。泄水建筑物包括左、右2个溢流表孔,4个中孔,左、右2个泄水底孔和1个冲砂底孔,对称集中布置在拦河坝中部的河床段(见图1)。泄水建筑物按100a一遇洪水设计,下泄流量为4570m3/s;1000a一遇洪水校核,下泄流量为7610m3/s。各特征工况库水位与泄水建筑物泄量分配见表1。3河道下护坦下天然河口铺砂及铺设模型按重力相似准则设计,长度比尺Lr=60。各泄水建筑物均用有机玻璃制作。上游截取坝轴线以上库区长度约450m,下游河道从护坦末端(桩号下0+090.0m)以下取556m,其中动床长度390m,其后166m为定床,下游两岸地形制作高程至438m。消能区岸坡430m高程以下以动床铺设,河床铺砂高程为420m。下游动床以天然散粒体沙石模拟河床基岩,按设计提供的河床基岩允许抗冲流速V=5m/s,根据伊兹巴什公式计算模型沙当量粒径为8～15mm。4试验对象的直接壁和狭窄鼻沟4.1直边墙防洪墙内管道设计4个泄流中孔位于泄水建筑物中部,有压段出口尺寸均为7.5m(宽)×8.5m(高),设弧形工作门和平板事故门,进口底坎高程460.5m,原方案采用直边墙窄缝鼻孔消能,末端桩号为下0+060.000m。中孔纵剖面详见图2。鼻坎收缩段长20.0m,由7.5m收缩到2.2m,收缩比为0.293,挑角为0°。4.2孔流状态下流量试验实测中孔在校核洪水位泄流量为4826m3/s,比设计计算值4730m3/s大2.0%;设计洪水位泄量为3779m3/s,比设计计算值3810m3/s小0.8%。试验率定值与设计计算值相近。在孔流状态下中孔流量的计算公式为:Q=μA2gH0−−−−−√(1)Q=μA2gΗ0(1)式中Q为流量值,m3/s;μ为流量系数;A为出口断面面积,m2;H0为进口底板高程以上水头,m。当库水位在474m以上时,中孔流量系数μ为0.614～0.814,设计和校核洪水位相应流量系数分别为0.748和0.814。4.3窄缝鼻坎起始断面和表流速设计洪水位中孔有压段出口断面中线处底流速为15.66m/s,水深中部流速为14.80m/s,表流速为14.76m/s,平均流速为15.0m/s,流速分布底部较大,向上逐渐减小。窄缝鼻坎起始断面(底板桩号下0+040.00m)近底流速为11.82m/s,水深中部流速为21.89m/s,表流速为24.24m/s。鼻坎出挑断面垂向流速以中上部位相对较大,为23.0～23.5m/s,出挑平均为22.23m/s。4.4窄缝消能工良流态设计在设计和校核工况,中孔泄槽内水流平顺,横向水面差较小。水舌在竖向和纵向扩散较充分,呈光滑片状,设计水位时纵向拉开长度达到60m左右,为鼻坎以上水头的1.3倍。设计洪水位中孔水舌形态见图3。窄缝消能工良流态的特点是水流掺气明显,水舌在空中几乎全被扩散成水股,射入尾水的水舌由近到远流量逐步增大。本工况中孔水舌虽然扩散充分,但没有扩散成离散的水股。这是因为在设计洪水位中孔全开泄洪工况下,窄缝鼻坎边墙收缩起始端水流佛氏数Fr=3.0,而根据系列模型试验研究认为窄缝鼻坎的水流Fr为4.5～10.0时,挑射水流才具有良好的纵向扩散形态。原方案中孔窄缝收缩比为0.293,末端边墙高度为18.14m,设计水位时末端水深为18.44～19.04m,已超过边墙顶高程0.3～0.9m。如果减小收缩比,势必使鼻坎边墙进一步加高,给结构设计带来更大的问题。4.5河道冲淤情况设计工况底孔和中孔水舌上缘入水处分别在下0+157.4m和下0+134.0m,从水舌入水断面至下游0+230m范围为主消能区,该区域河道水面掺气漩滚剧烈,水位壅高,在两岸边形成回流。由于地形条件的不同,右岸回流强度较弱,而左岸边回流一直上溯至护坦内又形成横向流。从桩号下0+230m以后,壅高水面急剧降落,河道流速加大。消能区最深冲坑位于河床中部,冲坑底高程为404.8～405.5m,冲深为14.5～15.2m;左、右岸最大冲深分别为12.5m和10.5m;护坦末端左半边被淘刷13.2m,而右侧因岸边回流将部分冲刷质回带而呈淤积状。冲刷区下游淤积体几乎占据河床宽度,最大淤高至428.8m。整个河道呈现冲淤范围大且平坦的特点。若中孔采用等宽鼻坎挑流消能,根据冲刷区基岩的特征,取综合冲刷系数k=1.1,估算设计水位下的冲深约为24.2m。原方案直边墙窄缝鼻坎冲刷较等宽挑坎减轻约37%,但仍不能满足实际工程的消能防冲要求。5试验中的角凹陷、窄缝和鼻板5.1鼻坎的调整方案曲面贴角窄缝鼻坎的理想水流佛氏数Fr为2.9～7.0。中孔鼻坎前水流佛氏数在设计工况时为3.0,校核工况时为3.2,均在此范围之内。为降低鼻坎边墙的高程,提高消能防冲效果,随后进行了曲面贴角窄缝鼻坎方案的优化试验。通过几个方案鼻坎的修改优化试验,最终推荐的曲面贴角窄缝鼻坎体型见图4。以半径11.5m的底弧衔接堰面和鼻坎。鼻坎边墙和贴角的收缩圆弧半径分别为30.292m和9.041m,收缩起点在0+049.176m,鼻坎末端桩号仍为0+060.000m。出口宽度3.5m,收缩比0.467,出口边墙高度6.23m。在鼻坎底部设顺坡底槽,其底坡为1∶25,由1.2m扩散到3.5m,两侧墙上加设直径0.5m的通气孔。贴角体的曲面ABC为斜圆柱面的一部分,BC为直线,曲线AB在底坡上为半径9.041m的圆弧,该圆弧在水平面上的投影为椭圆弧。以平行于底坡的任一平面与曲面ABC相交,交线均为半径9.041m的圆弧。5.2收缩边墙或贴角的近底部校核设计试验实测了推荐鼻坎边墙及贴角体上的压力分布,并绘制了等压线图(见图5)。压力最大位置在收缩边墙或贴角的近底部,设计与校核工况分别为34.30×9.81kPa和23.98×9.81kPa,分别占该处总水头(不计水头损失)的57%和61%。曲面贴角窄缝鼻坎边墙低,贴角体的迎水面是倾斜曲面,水压力方向垂直曲面指向两侧下方,故受力状态好。5.3鼻坎流速特征曲面贴角鼻坎底板桩号下0+040.00m断面中线流速值与直边墙窄缝鼻坎方案接近。出口断面中线垂向流速底部为24.33m/s,中部为24.70～25.02m/s,表面为23.72m/s,出挑平均值为24.24m/s。由图6可见,同水位曲面贴角鼻坎流速值均大于直边墙窄缝鼻坎。校核水位鼻坎出挑中线平均流速为26.06m/s,底部与表面流速值比中部略大。设计到校核水位之间曲面贴角鼻坎末端垂向流速分布比较均匀。5.4水舌扩散程度测定结果曲面贴角窄缝鼻坎设计洪水位水舌形态见图7。与直边墙窄缝鼻坎相比,其水舌在空中的挑射高度、扩散程度和前缘入水周界长度均明显增加,入水更为分散。两种鼻坎设计洪水位水舌特征值见表2。曲面贴角鼻坎最大挑射高程462.14m,比直墙窄缝鼻坎增加2.24m;曲面贴角鼻坎水舌上缘挑距Lmax=78.0m,较直墙窄缝鼻坎略有增加;内缘挑距Lmin=22.4m,比原方案增加4.5m,有利于减轻对护坦处基础的冲刷。虽然水舌纵向落水长度ΔL=Lmax-Lmin较直墙窄缝鼻坎小2.8m,但ΔL只反映了窄缝鼻坎水舌在纵向的扩散程度。曲面贴角窄缝鼻坎水舌上缘两侧形成较离散水帘,使入水前缘加宽,入水时呈弧状散开,弧线总长度达55m,水帘所占泄量约为15%～20%,此外由于底槽的作用,水舌下缘水流也有一定的横向扩散。由此可见,曲面贴角鼻坎水舌在纵向、横向都能充分扩散。4中孔泄洪时水舌入水前缘相互掺叠。直墙窄缝鼻坎水舌前缘虽然也存在水帘,但水帘所占流量比例小,距纵向水舌近,横向扩散程度较小。设计洪水工况曲面贴角鼻坎水舌上缘出射角θ上约为45°,有利于使水舌外缘挑距达到最大。上缘入水角β1约为51°,内缘入水角β2约为31°。水舌内缘线可用抛物线拟合,根据质点运动学原理,抛物线方程应为:y=xtanθ−gx22v2cos2θy=xtanθ-gx22v2cos2θ式中g为加速度;v为起始速度;θ为起始速度方向与水平方向的夹角。根据实测近底流速的值,假定一系列θ值计算相应曲线并绘图,与水舌内缘线最接近的抛物线的角度即为水舌内缘出射角θ下。通过计算得设计洪水时的θ下=-10.6°,θ下=α+α′,此处α是底板挑角,α′是出射角修正值,推荐曲面贴角鼻坎底槽的角度α=-2.3°,则α′=-8.3°。用同样方法求得直墙窄缝鼻坎底缘出射角修正值为-5.0°。这说明曲面贴角窄缝鼻坎对内缘水股向下的挤压作用相对较强,之所以其挑距较大,是因为近底水流具有较大的流速。校核洪水工况中孔水舌仍然扩散充分,水舌最高点高程仍为462.14m,外缘挑距89.3m,内缘挑距18.5m。P=2%洪水工况4中孔开5.7m,P=10%洪水工况4中孔中的2孔开0.8m,两工况中孔鼻坎水舌均能充分扩散。5.5冲淤地形分析设计洪水工况4中孔水舌占据河床中部,左、右底孔水舌位于中孔水舌两侧,下游河道整体流态对称。从下0+160m至下0+225m范围内河道中部水面壅高,掺气漩滚剧烈,并向两岸扩散,在两岸边下0+200m前后形成顶冲之势。冲淤地形与河道流态对应,主冲刷区位于河床中部,冲坑底高程409.2m,冲深10.8m;左岸护坡坡脚局部最大冲深至416.6m,右岸护坡处略有淤积,最大冲深点在护坡段下游,冲坑底高程412.0m,两岸边冲坑均为水流顶冲紊动淘刷所致;护坦范围内地形高程在416m以上。冲刷区下游淤积体较为平坦,最大淤高427.7m。各主要部位冲刷程度与原方案试验结果的比较见表3。从表3可以看出,推荐方案各主要部位冲深比原方案减少2.5～9.5m,冲刷程度减轻23.8%～81.2%,其中最大冲深减轻29%,消能效果有了明显的改善。推荐方案校核洪水工况河床中部最大冲深12.0m,但两底孔末端基础和护坦范围内几乎未遭冲刷,仍能保证大坝和建筑物的安全。5.6窄缝式挑流消能工总耗能量曲面贴角窄缝鼻坎依靠两侧边墙和贴角体将水流分别向心导向,使之在空中对冲,改变了水流质点间的相互作用和水流结构,加剧了水流的紊动。对冲后水流各质点因具有不同的运动方向而产生的运动扩散,水舌在纵向扩散呈薄形扇状,其外缘以水帘的形式形成一定的横向扩散。扩散水舌因受空气阻力的作用和掺气消杀部分能量,水舌分散入水,大大减小了射流对基岩的动水压力,水垫中水流以扩散、紊动剪切和旋辊等形式而消耗大部分能量。研究分析表明,窄缝式挑流消能工总耗能量(ΔE),主要由紊动消能(ΔEt)、水流碰撞消能(ΔEn)、掺气与空气阻力消能(ΔEa)及水垫消能(ΔEw)4部分组成。与直边墙窄缝鼻坎相比,曲面贴角鼻坎