[瑞士]M.比爾里 M.費(fèi)德施皮爾 J.L.博伊拉特[法國(guó) ]B.烏當(dāng) F.德洛米

胡衛(wèi)東 譯自英刊《水電與大壩》2010年第5期

對(duì)于格洛里特斯(Gloriettes)壩的擴(kuò)建方案,考慮到幾何與水力邊界條件,除了尾水渠之外,兩種不同形狀的鋼琴鍵型堰在瑞士的 EPFL水利建設(shè)實(shí)驗(yàn)室(LCH)通過物理模擬(比例尺1∶30)進(jìn)行了試驗(yàn)與優(yōu)化。

由于實(shí)測(cè)的水文數(shù)據(jù)增加并且研究開發(fā)了一些新方法用于洪水流量估算,社會(huì)上就有關(guān)安全方面的問題也提出了更高的要求,因此現(xiàn)有的許多大壩都需要對(duì)溢洪道進(jìn)行改建,以提高它們的泄洪能力。正如其他許多國(guó)家的情況一樣,就修改的設(shè)計(jì)洪水流量而言,已發(fā)現(xiàn)法國(guó)電力公司的數(shù)座大壩的泄洪能力不足。因而,提高溢洪道的泄洪能力,已成為水電工程管理者所面臨的一個(gè)重要問題。

1 格洛里特斯壩

由法國(guó)電力公司(EDF)負(fù)責(zé)管理的奧德埃斯陶伯(Gave d'Estaubé)河上的格洛里特斯混凝土拱壩位于比利牛斯(Pyrenees)山山區(qū),建于1949年至1951年間。最初的泄洪系統(tǒng)包括有壩頂高程1667 m處的 4孔自由溢流閘,在最高運(yùn)行水位為1667.8m時(shí),其泄流量約為70m3/s。對(duì)于重現(xiàn)期為1000a一遇的新設(shè)計(jì)洪水流量,洪峰流量定為150m3/s。為了彌補(bǔ)80m3/s的不足泄流能力,需要在右岸增修一座溢洪道,選用被稱之為鋼琴鍵型堰(PKW)的迷宮式溢洪道設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了兩種不同的堰頂形狀,其堰頂高程與原有溢洪道的堰頂高程相同,并已通過了物理模型試驗(yàn)且進(jìn)行了評(píng)估。

新 PKW壩址的下游屬于巖土不穩(wěn)定帶,除了環(huán)境整體化的要求之外,不允許在尾水渠進(jìn)行簡(jiǎn)單與直接的射流,但可用水流方向突變的方式替代。主要設(shè)計(jì)目的是產(chǎn)生連續(xù)的、最大的消能,以避免水流泛濫。

尾水渠的最初設(shè)計(jì)包括通過夾角為120°的曲線來相互連接的兩段斜坡渠底(平面上成)直線的渠段,初步評(píng)價(jià)是基于分析水位、流速與消能。應(yīng)用柏努利方程計(jì)算陡坡上水流的能頭,消能以經(jīng)典的科爾布魯克 -懷特法(Colebrook-White approach)為基礎(chǔ)。原來的設(shè)計(jì)只允許低水平的消能,從而導(dǎo)致流速過高(約25m/s)。采用標(biāo)準(zhǔn)的空化公式對(duì)渠底的空化指數(shù)(σ)進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明,有數(shù)個(gè)渠段超過了臨界值,即 σ＜0.2(空化風(fēng)險(xiǎn))。

另一方面,采用納普(Knapp)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明,在小半徑的渠道曲線處形成的內(nèi)外水深高達(dá) 6 m,這是由于離心加速度和駐波所造成的結(jié)果,鑒于這種水力特性,作出了具有兩個(gè)階梯型渠段與一個(gè)中間的消力池的歸河渠道的完全新型的設(shè)計(jì),要求方向改變120°(圖1)。

圖1 歸河渠道最終設(shè)計(jì)的平面布置

2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.1 邊界條件

歸河渠道的上游邊界條件由 PKW確定。為了評(píng)估涉及到壩頂原有溢洪道的兩種類型的 PKW的泄水能力,進(jìn)行了數(shù)次試驗(yàn)。關(guān)于溢流堰系統(tǒng)的水力學(xué)問題,在雷特(Leite)等人(2009年)與比厄里(Bieri)等人(2009年)的著作中都進(jìn)行了討論。對(duì)于150m3/s的設(shè)計(jì)洪水流量,這些試驗(yàn)得出的歸河渠道中最大泄流量為 80m3/s。采用一維數(shù)值模擬(HEC-RAS,version 3.1.3)對(duì)河道匯流處的水力學(xué)條件進(jìn)行了計(jì)算,并對(duì)歸河渠道的下游段以及奧德埃斯陶伯河天然河道的一部分進(jìn)行了模擬,這段天然河段的泄流量為原溢洪道下泄的流量。簡(jiǎn)單的分析證明,渠道與河道的水流為亞臨界流。河道的原有地形在渠道的倒數(shù)第2個(gè)階梯上形成水躍,并且在匯流區(qū)還產(chǎn)生側(cè)向溢流。

已經(jīng)提出數(shù)次改進(jìn)河道與渠道下游段形狀的建議,包括局部加寬與疏浚,并在數(shù)值模型上進(jìn)行了試驗(yàn)。但是,作為初步數(shù)值模擬結(jié)果,在物理模擬中未考慮匯流對(duì)歸河渠道出流的局部會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2.2 階梯渠道段

為了在兩個(gè)渠道段上獲得最大的消能效果,將階梯沿渠道的縱剖面設(shè)置。初步設(shè)計(jì)是以最近研究的階梯溢洪道工程為基礎(chǔ)。低流量發(fā)生跌流水舌,大流量形成滑行水流情況。跌流消能是通過水流對(duì)階梯的沖擊進(jìn)行的。因?yàn)殡A梯間有截留的水體,滑行水流效率更低。當(dāng)兩種水流流態(tài)都部分存在時(shí),這種流態(tài)稱為漸變流。定義水流流態(tài)的公式(1)為漸變流;公式(2)為滑行流;公式(3)中 hc為臨界水深;hs為階梯高度;ls為階梯長(zhǎng)度;qw為單寬流量;g為重力加速度。

對(duì)于階梯高度與長(zhǎng)度的不同比值,消除的能量ΔH一般在有效水頭 H0的 85%與 95%之間,水頭損失 ΔH是根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立的單寬流量和相對(duì)能量損失ΔH/H0兩者間的關(guān)系進(jìn)行估算的。這些結(jié)果是在試驗(yàn)水槽中按0.06 m階梯高度取得的。對(duì)于1 m的階梯,比例系數(shù) λ為16.67,對(duì)于2m的階梯,比例系數(shù)為33.33。相應(yīng)的流量比例系數(shù)(λ5/2)分別為1.134與6.415。對(duì)于泄流量為 80m3/s,且渠道寬度為7.5m的條件,該情形為滑行水流,而且兩個(gè)階梯高度的消能率約為 90%。

對(duì)兩個(gè)階梯的高度(1 m與2m)和階梯長(zhǎng)度是可變的的情況進(jìn)行了分析。在兩種情況下,階梯構(gòu)造的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)則是避免溢流,并使開挖量最小,從而導(dǎo)致階梯長(zhǎng)度是變化的。已知兩個(gè)渠道段的泄槽坡度θ,階梯的法向高度 ks(公式4)和陡坡的佛汝德數(shù) Fθ(公式5)是可確定的,并可導(dǎo)出混合均勻流的深度 Z90,u(公式 6)。這個(gè)水流深度相當(dāng)于摻氣濃度為 90%。

對(duì)于1 m和2 m高的階梯,Z90,u大約分別為1.2m和1.3m。使用安全系數(shù)1.5,最大泄流量為80m3/s時(shí),水深為2m。需要用這個(gè)深度來確定周邊地形至渠底的高差Zs。它可以得出渠道底的下限線,渠道階梯不應(yīng)該超出這一下限線。由于階梯很長(zhǎng),要求開挖的方量很大,而在經(jīng)濟(jì)上不可能接受2 m高的階梯。

2.3 消力池

消力池必須能消除回水渠上段下游端處水流的剩余能量。消力池的布置與設(shè)計(jì)必須結(jié)合原有地形考慮,以便在第2段渠道的入口處得到臨界水流條件,為了確保消力池突擴(kuò)段具有令人滿意的性能,已證實(shí)中央消力檻是有效的。消力檻的最優(yōu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致消力池內(nèi)形成對(duì)稱而且穩(wěn)定的水躍,側(cè)面漩渦對(duì)消能過程有明顯作用的尾水流速分布近乎均勻。

對(duì)于給定的泄流量,入流深度 h1、水流速度 v1與第1段渠道出流處的佛汝德數(shù) F1都能采用公式(6)進(jìn)行計(jì)算。然后采用貝蘭格爾(Bélanger)公式計(jì)算下游水流共軛水深 h2。對(duì)于 80m3/s的設(shè)計(jì)洪水流量,h1為1.1m;v1為9.7 m/s;Fr1為 3.0,結(jié)果h2為 4.1 m。

在麻城市石橋垸村，共同締造活動(dòng)實(shí)施了村莊環(huán)境提升、垃圾分類評(píng)比等工程，清理了雜亂的建筑，生活垃圾和污水收集處理更加規(guī)范，村里的水塘也通過專業(yè)的環(huán)保企業(yè)進(jìn)行了治理，村莊環(huán)境得到明顯改善。

按不萊梅(Bremen)法,消力池長(zhǎng)度 xj用公式(7)確定。為了引導(dǎo)消力池曲線部分的水流流向出口,將 xj的計(jì)算值(約16 m)增加了5 m。

除了 h1和 b1之外,消力檻的最佳形狀主要取決于 Fr1、消力池寬度 b2和渠道寬度 b1之間的擴(kuò)展比。在目前情況下,b2(15 m)選定為 b1(7.5m)值的2倍。最佳水流條件通過高于0.8的無量綱的消力檻位置 Xp獲得?？紤]到入流部分逐漸擴(kuò)大,Xp固定在1.75。相對(duì)于渠道出口的消力檻最優(yōu)位置 xs可通過公式(8)確定,計(jì)算結(jié)果為6.5m:

消力檻高度 s由公式(9)確定,等于1.6 m。

消力檻寬度 bs可用公式(10)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為9.4m。

由于要求環(huán)境整體化,最初的模型構(gòu)造和理論要求之間唯一的不同之處是消力池光滑而成圓形的邊墻,因而水流流態(tài)十分相似。

3 物理模型試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量設(shè)施

考慮到原有溢洪道格洛里特斯壩的新 PKW和歸河渠道的水力學(xué)特性,認(rèn)為采用1∶30的總幾何比尺是恰當(dāng)?shù)?以避免縮尺效應(yīng)。應(yīng)用佛汝德相似性,這就意味著慣性力與重力之比保持不變。

模型包括兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的部分。第一部分布置在正方形的鋼板水池內(nèi),復(fù)制水庫、拱壩和溢洪道。另一部分就是模擬歸河渠道,在周邊擋墻范圍內(nèi)對(duì)該渠道進(jìn)行復(fù)制,允許在整個(gè)三維方向擴(kuò)展。渠道段和消力池用 PVC制作。為了在回水渠道上開展試驗(yàn),已將原有溢洪道關(guān)閉。這種措施可以對(duì) PKW的下泄流量進(jìn)行精確地控制,這一部分的流量由實(shí)驗(yàn)室的供水網(wǎng)絡(luò)提供并用電磁流量計(jì)測(cè)量,鋼板水池中的水位由兩個(gè)超聲波傳感器控制,流速用精度為1 mm/s的微型螺旋槳測(cè)量,作用在消力池中消力檻上的靜水與動(dòng)水壓力,由測(cè)壓管和取樣頻率為100Hz的壓力電阻效應(yīng)傳感器進(jìn)行測(cè)量。

3.2 試驗(yàn)程序與優(yōu)化過程

為了進(jìn)行性能測(cè)試和優(yōu)化,應(yīng)用了一個(gè)迭代的系統(tǒng)程序。所有的試驗(yàn)最初都是按 80m3/s的設(shè)計(jì)洪水流量來完成的。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)體型則是用20m3/s、40m3/s和 60m3/s的較小流量進(jìn)行驗(yàn)證。

第一步只是模擬、試驗(yàn)和改進(jìn)歸河渠道的第1段。為了檢查水流的橫向分布情況,測(cè)量了階梯兩邊邊界區(qū)的水位。緊靠 PKW下游的曲線部分的水流性狀需要加以特別注意。已經(jīng)制定了水流平衡與防止漫溢的兩種綜合措施,并進(jìn)行了試驗(yàn)。一方面,通過降低轉(zhuǎn)彎渠段內(nèi)側(cè)的高度和增加外側(cè)高度,使階梯成橫向傾斜。另一方面,對(duì)階梯的縱向體型也做了相應(yīng)的修改。

此外,為了降低拱壩基礎(chǔ)附近的漫流和沖蝕的風(fēng)險(xiǎn),在外岸設(shè)置了一面導(dǎo)墻。不僅該結(jié)構(gòu)的高度,而且其形狀都是優(yōu)化過程的組成部分。

第1段渠道下游的消力池的主要作用是允許方向在亞臨界流條件下改變120°。簡(jiǎn)易而適宜的試驗(yàn)設(shè)施就可對(duì)消力池的幾個(gè)單元進(jìn)行優(yōu)化。除了毗鄰的天然地形之外,消力池的底部高程、周圍的形狀、入流和出流結(jié)構(gòu)體型、消力檻的高度和形式都進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)整和定性的評(píng)估,而且對(duì)特大洪水情況下的消力檻上的靜水和動(dòng)水壓力都進(jìn)行了測(cè)量。為了從結(jié)構(gòu)上確定有問題的頻率,還進(jìn)行了能譜密度分析。

為了模擬無覆蓋開挖的巖石面的糙率,采用估計(jì)的原型不平整度為5～10cm,在渠道和消力池相對(duì)應(yīng)的表面處增加了一層粗糙水泥漿。另外還在橫向上敷設(shè)了一些約2 mm高和10mm寬的板條。原型上的實(shí)際糙率在理論上相當(dāng)于斯特里克勒(Strickler)系數(shù) 35m1/3/s。

對(duì)于有無加糙層兩種情況的最終外形,又測(cè)量了水位。對(duì)于兩個(gè)渠道段末端處的出流流速,按規(guī)則網(wǎng)格采用微型螺旋槳進(jìn)行了測(cè)量。亞臨界水流的總體平均流速使得有可能估算其動(dòng)能以及總水頭,并最終估算對(duì)應(yīng)的消能效率。

3.3 結(jié) 果

與上游部分有關(guān)的渠道第1段的優(yōu)化,導(dǎo)致對(duì)橫向傾斜的混凝土階梯和邊墻進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì),以便避免漫溢。歸河渠道的第2段平滑地彎曲,且其階梯比第1段的階梯長(zhǎng)。在消力池的出口處,側(cè)面導(dǎo)墻為獲得適當(dāng)?shù)乃鞣植紕?chuàng)造了條件。在第2段渠道的出口處,水流被安全地引導(dǎo)到朝向天然河道的軸線方向。

渠道兩段出口處的平均流速使得計(jì)算消能效率、水頭損失比與總水頭之比成為可能。效率隨流量增大而下降,這也是通過計(jì)算值預(yù)測(cè)的,計(jì)算值略低于實(shí)測(cè)值。對(duì)于低泄流量的水頭損失進(jìn)行了計(jì)算(對(duì)應(yīng)跌流水舌情況),計(jì)算結(jié)果表明,其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常相符。對(duì)于滑行水流情況,差別則是隨泄流量增大而增大,不規(guī)則的階梯布置以及渠道的曲率可能是導(dǎo)致這些差異的原因。對(duì)于粗糙層,在渠道出口處實(shí)測(cè)的流速較低,而結(jié)果是水頭損失和消能效率較高。

消力池優(yōu)化后的設(shè)計(jì)為方向上要求作120°變化創(chuàng)造了條件。它由一個(gè)開挖的圓池組成,并受到左岸和下游部分的側(cè)墻的限制。為了在設(shè)計(jì)洪水條件下的消力池的水深穩(wěn)定在 4m到5m之間,出口的寬度必須有6.2m寬,且必須由混凝土制作。最大水躍高度大約為 9m。消力檻位于距上段渠道出口5m處,最初確定的1.6m檻高是通過試驗(yàn)確認(rèn)的。圓形消力池避免了側(cè)面的回流區(qū),但減小了過水?dāng)嗝妗Ｓ捎谶@個(gè)原因,檻寬縮短到7.5m,使其保持與渠寬一致。消力檻前部的實(shí)測(cè)壓力約為5.3m水柱(見表1),且壓力分布的左右點(diǎn)不對(duì)稱,可以解釋這是由于消力池的不對(duì)稱形狀引起的。1.3～1.9的標(biāo)準(zhǔn)偏差表明,變化很快的水流具有產(chǎn)生負(fù)壓的風(fēng)險(xiǎn)。消力檻后部壓力負(fù)荷約小50%。

表1 設(shè)計(jì)洪水流量為 80m3/s時(shí)消力檻前部和后部實(shí)測(cè)的靜水壓力和動(dòng)水壓力

4 施工進(jìn)度與費(fèi)用

格洛里特斯壩位于法國(guó)高海拔的比利牛斯山脈的偏僻帶。由于道路被雪覆蓋且穿過幾個(gè)雪崩區(qū),在整個(gè)冬季期間不可能到壩址區(qū)。即使在夏季,從所有的公用設(shè)施到壩址都有很長(zhǎng)一段路程。例如,驅(qū)車到最近的混凝土攪拌廠要1.5 h。

由于施工作業(yè)只能在夏季進(jìn)行(從 6月開始到9月底),因此決定將工程分為2個(gè)階段進(jìn)行:

(1)第1階段,在2009年夏季期間,主要工程包括第2段渠道、消力池及第1段渠道的下半部分巖石爆破與開挖,并修建消力池邊墻和渠道段。

(2)第2階段,在2010年夏季期間,主要工程包括第1段渠道上半部分巖石爆破和開挖、修建第1段渠道上半部分的邊墻、鋸混凝土墻和修建PKW。

由于拱壩布置在非?？拷_挖地區(qū)的位置,所以巖石爆破由位于大壩上和其基礎(chǔ)周圍的若干個(gè)加速計(jì)嚴(yán)格控制。2009年7月,對(duì)消力池與第2段渠道所在區(qū)進(jìn)行爆破時(shí),記錄的最大速度為 4 mm/s,頻率為 30Hz。

從地質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)來看,新溢洪道和渠道段位于河流的右岸,此處由具有強(qiáng)烈的葉理構(gòu)造方向垂直于河谷軸線的陡傾角片麻巖構(gòu)成。巖石被先前的冰川割斷和磨削,但巖質(zhì)變化并不是非常嚴(yán)重。尤其是在消力池修建期間,遇到了一些地質(zhì)難題,比如對(duì)粘土斷層必須采用混凝土填充的亂堆來進(jìn)行處理。

溢洪道擴(kuò)建工程的總費(fèi)用約120萬歐元。主要費(fèi)用與消能設(shè)施(渠道階梯段和消力池)有關(guān)。

5 結(jié) 語

為了提高原有大壩的泄洪能力,采用了 PKW這種緊湊而適用的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)向下游泄水往往需要采用原有的與創(chuàng)新性相結(jié)合的解決方法。格洛里特斯壩溢洪道擴(kuò)建工程涉及到極其復(fù)雜的邊界條件,包括120°的方向變化。有2個(gè)階梯段與一個(gè)中間消力池的渠道結(jié)構(gòu)布置方案,使得通過消能后引導(dǎo)水流到天然河道成為可能。通過理論方法預(yù)先設(shè)計(jì)幾何特征,并通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化,最終達(dá)到了以下目的:溢洪道中的水流為均勻流、消能效率大于 90%、開挖量最小,并滿足與山區(qū)環(huán)境融于一體的要求。

所選擇的方法涉及初步設(shè)計(jì),是以最近研究的理論方法和簡(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的,隨后在物理模型上進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面來說,這種方法是令人滿意的。考慮到環(huán)境、結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn),迭代的試驗(yàn)程序加上適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)備,使得解決復(fù)雜的工程問題成為可能。

目前該工程還在建設(shè)中。第1階段的工程已于2009年10月完成,包括第1段渠道的下游部分、消力池與第2段渠道。PKW和第1段渠道的上部分工程目前正在繼續(xù)施工中。