尾墩體型參數對表孔水力特性的影響研究

曹 娜

(阜新蒙古族自治縣凌河保護區管理局，遼寧 阜新 123100)

隨著科學技術的發展，我國高拱壩建設取得重大突破，同時高拱壩泄洪霧化問題日益突出[1]，對下游岸坡和壩體的穩定性和安全性造成嚴重威脅，合理選擇建筑物體型，保證消能防沖滿足工程要求變得尤為重要[2]。寬尾墩作為一種新型的消能工具，通過邊壁收縮來提高消能率，李福田等[3]對不同體型的表孔尾墩進行了試驗研究，表明尾墩體型能夠實現表中孔水舌空中無碰撞的消能效果，減輕了泄流霧化的影響。呂陽泉等[4]對表孔寬尾墩流道內的水流特性進行了研究，并尾墩體型布置進行了優化試驗分析。崔廣濤等[5]對不同堰上水頭條件下表孔閘室的泄流能力進行研究，得出泄流能力與收縮比的定量關系。本文以白石水庫為例，設計了17種表孔寬尾墩體型方案，對水墊塘底板的沖擊壓強、水舌擴散特性以及表孔泄流能力等水力特性進行研究，分析了尾墩體型參數對表孔水力特性的影響規律，該研究對表孔寬尾墩的實際應用有著重要的現實意義。

1 工程概況

白石水庫以供水、灌溉、防洪為主，兼顧養殖、發電、觀光旅游，地處錦州、阜新、朝陽三市中心地帶。白石水庫控制流域面積18350km2，總投資22.093億元，總庫容18.21億m3，為遼河三角洲提供農業灌溉用水2.67億m3。水庫大壩為混凝土重力壩，壩頂長5l3.25m，壩高50.31m，泄洪排沙建筑物有4個中孔和3個表孔，中孔布置在表孔閘墩下部，每孔泄洪軸線處寬度為13.5m。壩下設消能水墊塘，凈長410m，底板厚度4m，二道壩頂部高程為718m。電站引水流量68.2m3/s，引水發電系統布置在右岸，進水口高程725m，布置在壩上。引水洞布置在山體內，支管內徑3.6m，相應流速4.39m/s，主洞內徑4.8m，相應流速5.71m/s。發電廠房為地下式，安裝三臺單機容量50MW的水輪發電機組，廠房總長42.89m，高度35.82m，總寬18.23m。

2 模型試驗概況

2.1 模型設計

白石水庫樞紐下游河道狹窄，邊坡坡角為73°，若采用水舌空中碰撞消能方式不利于兩岸邊坡巖體的穩定，并且泄洪工況下水流含沙量較高。因此，為保證水墊塘脈動壓強、沖擊壓強等指標滿足要求，以實現水舌空中無碰撞消能效果為試驗研究目的，試驗模型按照DL/T 5244- 2010《水電水利工程常規水工模型試驗規程》執行，泄水建筑物模型材料采用有機玻璃制作，糙率為0.007，模型包括：回水系統、泄洪消能建筑物、上游水庫以及供水系統等，采用正態模型幾何比尺為Lr=50，物理量的比尺如下[6- 7]：

粗糙比尺：

(1)

壓強比尺：

表2 表孔各方案體型參數[10]

(2)

流量比尺：

(3)

流速比尺：

(4)

式中，n—粗糙系數；P—壓強，Pa；Q—流量，m3/s；v—流速，m/s；m—模型；p—原型；r—模型幾何比尺。

2.2 試驗方案

試驗流量計算采用矩形量水堰測量，水墊塘時均壓強采用測壓管測量，流量計算公式如下[8]：

(5)

式中，B—堰寬，m；P—堰高，m；H—堰上水頭，m；Q—流量，m3/s。

為測定不同水墊塘水深和上游水位情況下表孔寬尾墩的水力特性，對不同體型工況進行試驗研究，具體見表1。

2.3 表孔體型參數

寬尾墩的體型參數直接影響下游消能效果及溢流堰的過流能力，直墻式寬尾墩可以通過收縮比ε、墩尾折角θ、始折點位置參數ξx，ξy等控制參

表1 試驗工況表[9]

數進行表征。本文選取表孔壩面傾角α分別為25°、35°，收縮比ε分別為0.49、0.39、0.29、0.37，尾端折角分別為7.554°、11.187°、14.850°進行試驗研究，具體方案參數見表2。

3 尾墩體型參數對表孔水力特性的影響

3.1 尾墩體型參數對泄流能力的影響

對各個試驗方案泄流能力進行實驗研究，在較低水位時寬尾墩對表孔泄流能力無影響，表孔閘室內流態為急流沖擊波流態，當水位較高時，泄流量受到寬尾墩的影響，閘室內水流變為緩流。定義各方案流量關系曲線與連續坎水位流量關系曲線的交點為臨界水位，該臨界水位以下，表孔泄流能力不受寬尾墩的影響，臨界水位以上，寬尾墩對表孔泄流能力影響逐漸增大。不同體型參數下，體型參數對臨界水位的影響曲線如圖1所示。

由圖1可知，墩尾折角和收縮比一定，壩面俯角越小，臨界水頭越??；壩面俯角和墩尾折角一定，收縮比越小，臨界水頭越??；壩面俯角和收縮比一定時，墩尾折角越小，臨界水頭越小。主要由于臨界水頭與閘室水流流態有關，壩面俯角越小，出口水流流速越小，墩尾折角越小，始折點越靠近堰頂，收縮比越小，出口水深越大。閘室形成緩流，泄流量損失越大，堰頂被淹沒，隨著表孔邊墻外伸，臨界水位稍微增大。

表3 不同方案水舌空中形態及泄洪流態

圖1 體型參數對臨界水位的影響曲線

3.2 尾墩體型參數對泄洪流態的影響

在堰上水頭較小時，水流保持為急流流態，在收縮段內邊墻水深略大于中線水深，兩側邊墻形成急流沖擊波，出口水流較窄為急流流態，水舌呈片狀水流形態；升高水位，出口水流逐漸轉變為緩流，表層水體增厚增高，出現水躍現象，水舌橫向寬度增大；繼續升高上游水位，水躍現象消失，閘室水流均為緩流，水舌橫向寬度較大，無法獲得較好的縱向擴散效果。壩面俯角和收縮比對閘室流態影響較大，水位較低時17種方案中閘室內均為急流沖擊波流態。高水位下其規律較為復雜，收縮比為0.29、壩面俯角35°時，折角7.554°下閘室內形成緩流流態，折角11.187°、14.850°下閘室內形成水躍壅水流態；收縮比為0.39、壩面俯角為25°時，折角7.554°下閘室內形成緩流；折角11.187°、14.850°下室內形成水躍壅水流態；俯角為35°時，折角7.554°、11.187°以及14.850°下均為急流沖擊波流態；收縮比為0.49時，閘室內水流均為急流沖擊波流態。不同方案水舌空中形態及泄洪流態見表3。

可以看出，墩尾折角對水舌空中形態影響較大，墩尾角7.554°方案條件下，水舌空中形態穩定，閘室兩側邊墻沖擊波交匯無水翅產生；墩尾折角11.187°方案條件下，出口水舌上緣間歇性出現水翅；墩尾折角14.850°方案條件下，水舌空中形態很不穩定，水舌上緣產生很明顯的水翅，收縮段內水流表面出現棱形波。與邊墻不外伸相比，水舌空中形態更為穩定，水流表面的沖擊波得到減免，表孔邊墻外伸后出口收縮段內水流流態得到改善。

3.3 尾墩體型參數對水舌縱向擴散的影響

隨著上游水位的增加，水舌縱向擴散長度有所增加，壩面俯角和收縮比保持不變，墩尾折角越大，水舌縱向長度越長；同一收縮比和墩尾折角工況條件下，壩面俯角越大，水舌縱向擴散長度越大。相同墩尾折角工況下，壩面俯角為35°時，收縮比由0.49減小為0.29，水舌縱向擴散長度先增大后減??；壩面俯角為25°時，收縮比由0.49變為0.39，水舌擴散長度有所減??；邊墻外伸對水舌縱向長度的影響曲線，如圖2所示，可以看出表孔邊墻外伸對水舌縱向擴散長度有較大影響，α=25°，ε=0.39，θ=7.554°時，水舌縱向擴散長度最大增加幅度為9.31m，表孔傾角α=35°，ε=0.375，θ=7.554°，縱向擴散長度最大增加幅度為19.25m。

圖2 邊墻外伸對水舌縱向長度的影響曲線

3.4 尾墩體型參數對沖擊壓強的影響

水墊塘底板沖擊壓強與水舌形態密切相關，低水位工況與高水位工況水舌形態不同，橫向擴散較小，隨體型參數的變化沖擊壓強也有所不同；同一墩尾折角和壩面俯角，收縮比由0.49減小為0.39時，底板沖擊壓強減??；收縮比和墩尾折角一定，壩面俯角越大，墊塘底板沖擊壓強越小。表孔邊墻外伸對沖擊壓強的影響曲線如圖3所示，可以看出，不同流能比條件下，邊墻外伸明顯降低了最大沖擊壓強，流能比為0.013，0.017，0.021時，最大沖擊壓強降低幅度分別為：75.91%、47.36%、46.52%，表孔寬尾墩收縮比取為0.29～0.39時，既能控制沖擊壓強，同時使得水舌縱向充分擴散。

圖3 表孔邊墻外伸對沖擊壓強的影響曲線

4 結論

(1)在較低水位時寬尾墩對表孔泄流能力無影響，表孔閘室內為急流沖擊波流態，當水位較高時，泄流量受到寬尾墩的影響較大，收縮比越大，墩尾折角越大，壩面俯角越大，臨界水位值越高。

(2)隨著堰上水頭的變化，設置寬尾墩后，表孔閘室內出現緩流、水躍壅水、急流沖擊波流態，收縮比、墩尾折角、壩面俯角越小，水位較高條件下水舌的縱向擴散長度越小，越易形成緩流流態，表孔邊墻外伸使得水舌穩定性得到改善。

(3)隨著上游水位的增加，水舌縱向擴散長度有所增加，壩面俯角和收縮比保持不變，墩尾折角越大，水舌縱向長度越長；同一收縮比和墩尾折角工況條件下，壩面俯角越大，水舌縱向擴散長度越大。相同墩尾折角工況下，壩面俯角為35°時，收縮比由0.49減小為0.29，水舌縱向擴散長度先增大后減??；壩面俯角為25°時，收縮比由0.49變為0.39，水舌擴散長度有所減??；表孔邊墻外伸后，舌縱向擴散長度增幅為19.25m。

(4)同一墩尾折角和壩面俯角，收縮比由0.49減小為0.39時，底板沖擊壓強減??；收縮比和墩尾折角一定，壩面俯角越大，水墊塘底板沖擊壓強越??；表孔邊墻外伸后沖擊壓強最大降幅達到75.91%。

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