木克然·阿娃,侯 杰,卡地爾江·米吉提,何照青,馬明祥

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電學(xué)校,新疆 烏魯木齊 830013;3.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

阿拉溝水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)托克遜縣境內(nèi),是阿拉溝河及托克遜縣“兩河”流域的重要控制性工程,壩址距阿拉溝出山口以上3.5 km,距托克遜縣75 km[1]。

阿拉溝水庫主要建筑物有主壩,溢洪道,泄洪洞三部分。水庫總庫容 4450萬m3,攔河壩壩高105.26 m,興利庫容3050萬m3,死庫容 850萬m3,為Ⅲ等中型水利工程。水庫正常蓄水位944.5 m,對應(yīng)庫容3900萬m3,設(shè)計洪水位944.6 m,校核洪水位947.8 m。阿拉溝水庫溢洪道位于右岸,為岸邊開敞式正槽溢洪道,全長241 m,溢洪道洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(P=1%),相應(yīng)泄洪流量試驗值為565.09 m3/s,2000年一遇校核(P=0.05%),相應(yīng)泄洪流量試驗值為1114.56 m3/s。

阿拉溝河洪水流量較大,匯流迅速、陡漲陡落,泄洪單寬流量較大,消能防沖問題較突出[2-3]。由于地形條件限制,溢洪道挑流鼻坎距離壩坡腳較近,右岸山體較為陡峭,為驗證溢洪道的水力特性及其消能防沖設(shè)施的合理性,以及泄洪對樞紐各建筑物和岸坡的影響,因此必須對溢洪道挑流坎工程展開模型試驗研究。深入觀測選定挑流坎的水流特性及拋射情況和對下游河道及周圍建筑物可能造成的影響,盡量減小對下游的沖刷[4-6]。

2 原設(shè)計方案試驗

2.1 原工程設(shè)計方案

阿拉溝水庫溢洪道由進水渠、控制段、泄槽和消能防沖設(shè)施四部分組成,全長241 m。進水渠為一矩形平底寬渠道,長度為14.3 m,寬度28 m?？刂贫沃幸缌餮卟捎谩癢ES”實用堰,堰高2.25 m,凈寬24 m,利用3扇8 m×5.5 m(寬×高)的弧型閘門控制,控制段長度為16 m。泄槽采用矩形斷面,總長度205.7 m,槽寬由28 m漸變至20 m,側(cè)墻高度為5.5 m。泄槽末端接15 m長的挑流消能段,挑流消能采用的結(jié)構(gòu)是挑流鼻坎,挑流鼻坎半徑30 m,挑角為15°[7],校核流量最大挑距 110.64 m,出坎流速32.7 m/s,沖刷坑深度34.6 m,沖刷坑后坡 i=0.313。

試驗測定了不同庫水位時溢洪道的不同參數(shù),本文主要討論校核洪水位情況下的試驗研究,在論文末端為了更好理解試驗最后得到的結(jié)果給出一部分正常蓄水位的研究內(nèi)容。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計,其模型幾何比尺 λL=50,相應(yīng)其它比尺如表1所示。

表1 模型比尺

溢洪道模型總長13.8 m。模型布置如圖1。原設(shè)計挑流鼻坎模型如圖2所示。

圖1 阿拉溝水庫溢洪道模型布置圖

圖2 原設(shè)計模型挑流鼻坎

2.2 原設(shè)計方案試驗

由于溢洪道軸線與壩軸線在平面上構(gòu)成76.48°轉(zhuǎn)角,加之閘室上游引渠右側(cè)半徑為155 m的圓弧邊墻連接,形成了具有彎道特征的邊界條件,使閘前水流形成彎道水流的特征,閘前水流流態(tài)比較紊亂。在閘室左邊墻處,水流在此急速轉(zhuǎn)向,形成范圍較大的水流漩渦,使此處的水位最低,繼而水位沿橫向逐漸升高,使水流產(chǎn)生不均勻的橫向比降。

下泄水流過堰后,首先在兩閘墩后形成墩后漩渦,繼而向下形成墩后的菱形波,其波長較短,波高較高。下泄水流經(jīng)過泄槽漸變段的收縮,在泄槽漸變段后再次形成菱形波,并與閘墩后的菱形波疊加,水流流態(tài)紊亂,其波長增長,波高較高。下泄水流經(jīng)過泄槽段的調(diào)整,菱形波沿程逐漸消弱,直至消能段。

由于溢洪道挑流鼻坎以下為擬人工開挖山體形成的海漫平臺,下泄水流在挑流鼻坎的作用下形成的挑流水舌,其左端落入海漫平臺末端以下的河床,而挑流水舌右端則落在海漫平臺上后被再次挑起而落入下游河床,如圖3所示。隨著溢洪道下泄流量的變大,落在擬人工開挖山體海漫平臺上的水舌長度增大,沖刷海漫平臺,濺起大量水花,將產(chǎn)生濃重的水霧。

對于下游河道的沖刷問題,試驗測得,校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距(挑流鼻坎末端離水舌內(nèi)緣線距離)為75.0 m,末端挑距(挑流鼻坎離水舌外緣線距離)為148.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為19.4 m,最深點離挑坎末端距離為112.0 m。挑流沖刷坑地形如圖4所示。

圖4 原設(shè)計方案校核洪水位挑流沖刷地形圖

針對原設(shè)計挑流水舌末端挑距較大,落海漫平臺后所帶來的沖刷和霧化等問題,有必要對溢洪道的挑流體型進行優(yōu)化試驗研究。

3 挑流體型結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗

3.1 挑流體型初步的優(yōu)化

由于溢洪道段的地形和地質(zhì)條件所限,溢洪道的軸線不能變動,因此,僅能對溢洪道末端的挑流體型結(jié)構(gòu)進行修改和優(yōu)化,試圖將溢洪道末端挑流段右邊直墻修改半徑為91.6 m的圓弧墻,使挑流水舌避開海漫平臺,左邊墻保持原形不變。如圖5所示(高程尺寸m,長度尺寸mm,圖6、圖7同)。

圖5 初步優(yōu)化后挑流體型結(jié)構(gòu)圖

通過初步的優(yōu)化,水舌經(jīng)過挑流鼻坎后,左側(cè)一部水直接跳進下游河床,右側(cè)一部水受右側(cè)圓弧邊墻的影響往左旋轉(zhuǎn)一個角度并與水舌左側(cè)部分水相互混淆,使減少水舌能量,并落在海漫平臺上被再次挑起而落入下游河床,水流霧化仍然比較嚴(yán)重。校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距為73.0 m,末端挑距為140.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為18.5 m,最深點離挑坎末端距離為108.0 m,遠遠達不到通過試驗所解決的問題。需要進一步的優(yōu)化。

3.2 挑流鼻坎進一步的優(yōu)化

在初步優(yōu)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,延長挑流反弧段一扇形圓弧面,扇形角為35°;反弧段右邊墻為半徑91.6 m的圓弧面邊墻,末端邊墻墻高9 m,起始端邊墻高與原設(shè)計方案相同。如圖6所示。

圖6 進一步優(yōu)化后挑流體型結(jié)構(gòu)圖

通過本次優(yōu)化,從實驗中得出,水流經(jīng)過挑流鼻坎后,水舌左側(cè)直接挑進河床內(nèi),而水舌右側(cè)部分水在圓弧墻的作用下向左明顯的轉(zhuǎn)一個角度推左側(cè)部分水流并沿海漫平臺左岸落入河床,同樣產(chǎn)生水霧。校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距為68.0 m,末端挑距為131.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為18.9 m,最深點離挑坎末端距離為104.0 m,試驗雖然有所改善但還沒能達到水舌完全避開海漫平臺的目的。結(jié)構(gòu)體型需要再次的優(yōu)化。

3.3 挑流鼻坎最后優(yōu)化

經(jīng)反復(fù)修改試驗確定了挑流段體型的結(jié)構(gòu)形式:在反弧段與右邊墻墻根設(shè)置一三角形扭曲面。三角形扭曲面挨邊墻的長度為20 m,挨底部挑流鼻坎的長度19 m,末端長度4 m;反弧段左邊墻不變。

優(yōu)化后挑流體型結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。

圖7 優(yōu)化后挑流體型結(jié)構(gòu)圖

由于溢洪道的進水渠段、控制段和泄槽段的結(jié)構(gòu)沒有改變,因此,通過其間的水流流態(tài)亦無變化。當(dāng)下泄水流通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的異形挑流鼻坎時,其水流流態(tài)發(fā)生了很大的改變。下泄水流在反弧底板、右圓弧面邊墻和三角形扭曲面邊界約束下,先向右沿三角形扭曲面迅速爬高后再向左旋轉(zhuǎn),形成縱曲軸逆時針旋轉(zhuǎn)的挑流水舌,避開了擬人工開挖山體形成的海漫平臺而落入海漫平臺左側(cè)河道中,如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后挑流體型模型

圖9 優(yōu)化后挑流水流流態(tài)

試驗測得正常蓄水位和校核洪水位時異型挑流鼻坎的挑流水舌形態(tài)如圖10、圖11所示,在校核洪水位時水舌最高點跟挑坎末端高差29.5 m,正常蓄水位時水舌最高點跟挑坎末端高差為17 m。

圖10 挑流體型優(yōu)化后正常蓄水位挑流水舌形狀圖

對于沖刷坑試驗測得校核洪水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距為65.0 m,末端挑距為120.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為20.85 m,最深點距離跳坎末端距離為106.40m。正常蓄水位溢洪道出口水流的水舌前段挑距為51.0 m,末端挑距為95.0 m,溢洪道挑流在下游河道的沖刷坑深度為19.10 m,最深點離跳坎末端距離為97.06 m。挑流沖刷坑地形如圖12所示。

圖11 挑流體型優(yōu)化后校核洪水位挑流水舌形狀圖

圖12 修改設(shè)計方案校核洪水位挑流沖刷地形圖

優(yōu)化后溢洪道異型挑流鼻坎挑流水舌特性如表2所示。

表2 修改后溢洪道挑流鼻坎水流特性

試驗測得挑流鼻坎的起挑流量為158.63 m3/s,此時挑流水舌跌落在海漫平臺上;當(dāng)下泄流量達到512.02 m3/s時挑流水舌跌落在海漫左側(cè)河床上;當(dāng)下泄流量在158.63 m3/s～512.02 m3/s時,其中大部分水舌跌落在海漫左側(cè)的河床上,另小部分水舌跌落在海漫平臺上,下泄流量越大,則水舌落在海漫平臺上的越少;小于起挑流量158.63 m3/s時,水流沿挑坎末端左側(cè)巖面貼壁而下,對此處巖面及其下河床造成一定的沖刷[8-10]。

4 結(jié) 語

本文對新疆托克遜縣阿拉溝水庫溢洪道進行水力模型試驗研究,修改方案采用異型挑流鼻坎后,在反弧底板、右圓弧面邊墻和三角形扭曲面邊界約束下,下泄水流在離心力的作用下,先向右沿三角形扭曲面迅速爬高后再向左旋轉(zhuǎn),形成縱曲軸逆時針旋轉(zhuǎn)的水舌,避開了擬人工開挖的海漫平臺而落入左側(cè)河道中,避免了挑射水流直接沖刷海漫平臺的不利情況,同時也大大地減少了不必要的擬人工開挖的海漫平臺的山體開挖工程量,達到了挑流體型結(jié)構(gòu)優(yōu)化預(yù)期的目的。

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