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鞍子河水庫(kù)溢洪道消能設(shè)施布置模型試驗(yàn)研究

2016-09-30 02:42伏世紅
東北水利水電 2016年4期
關(guān)鍵詞:河水庫(kù)溢洪道模型試驗(yàn)

伏世紅

(大連市水利建筑設(shè)計(jì)院,遼寧 大連 116021)

鞍子河水庫(kù)溢洪道消能設(shè)施布置模型試驗(yàn)研究

伏世紅

(大連市水利建筑設(shè)計(jì)院,遼寧 大連 116021)

中小型水庫(kù)溢洪道及其消能防沖設(shè)施的布置,總是受地貌地形和周邊構(gòu)(建)筑物等的限制影響,本文以鞍子河水庫(kù)工程為例,對(duì)水庫(kù)溢洪道及其消能設(shè)施進(jìn)行了方案比選及模型試驗(yàn)研究,得出了相應(yīng)的結(jié)論,可供同類(lèi)工程設(shè)計(jì)研究參考借鑒。

溢洪道;模型試驗(yàn);折流墩;階梯消能;鞍子河水庫(kù)

1 概 述

鞍子河水庫(kù)位于遼寧省普蘭店市豐榮辦事處西泡村車(chē)屯,鞍子河中下游。水庫(kù)于1967年6月竣工。鞍子河水庫(kù)于2014年完成擴(kuò)建,新擴(kuò)建的鞍子河水庫(kù)總庫(kù)容692.42萬(wàn)m3,工程規(guī)模為?。?)型,工程等別為Ⅳ等。永久性水工建筑物級(jí)別為3級(jí),次要建筑物仍為5級(jí)。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì),1 000年一遇洪水校核[1]。

擴(kuò)建后鞍子河水庫(kù)是一座以城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主,結(jié)合防洪、生態(tài)保護(hù)等綜合利用的水庫(kù)。同時(shí)可兼做劉大水庫(kù)城市供水的事故調(diào)節(jié)庫(kù),還具有淡水養(yǎng)殖和美化環(huán)境的功能。

2 洪道方案比選

溢洪道位于右壩肩,凈寬50 m,全長(zhǎng)410.75 m,由進(jìn)水口、控制段、泄槽段和尾水渠四部分組成[2]。1 000年一遇校核防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下溢洪道泄流量為1 018.81 m3/s,50年一遇設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)條件下溢洪道泄流量為624.02 m3/s。

1)溢洪道平面布置方案比選

鞍子河水庫(kù)溢洪道平面布置方案初步擬定2種,即圓弧彎道方案和折流墩方案。經(jīng)綜合比較分析,鞍子河水庫(kù)溢洪道平面布置采用折流墩方案,可降低工程占地補(bǔ)償費(fèi)用,雖然溢洪道沿程水流流態(tài)較為復(fù)雜,但在采取了必要的工程措施后,可使水流在折流墩處形成沖擊波,有助于增加消能率。

2)溢洪道縱剖面方案比選

擬定3種溢洪道縱剖面方案,通過(guò)比較各方案消能率以確定溢洪道最終縱剖面方案,3種方案示意圖見(jiàn)圖1。3種方案均將溢洪道布置為階梯消能結(jié)構(gòu),設(shè)置8級(jí)臺(tái)階:方案1中1~8級(jí)臺(tái)階均未設(shè)置中墩及尾坎;方案2中6—8級(jí)臺(tái)階出口設(shè)置尾坎;方案3中6—8級(jí)臺(tái)階不僅在出口設(shè)置尾坎,并且在臺(tái)階中間設(shè)置了中墩。

第8級(jí)臺(tái)階出口與原有河道相連接,其水力要素值直接與原有河道的沖淤情況相關(guān),因此對(duì)擬定的3個(gè)方案第8級(jí)臺(tái)階出口處的水深、流速及消能率進(jìn)行比較,選取流速較低,消能率較高的方案作為溢洪道最終縱剖面方案。

圖1 溢洪道縱剖面方案簡(jiǎn)圖

3 模型試驗(yàn)

3.1 相關(guān)參數(shù)確定

溢洪道最大下泄流量約1 000 m3/s,溢洪道寬50 m,單寬流量約20 m2/s,相應(yīng)的臨界水深約3.44 m,與臨界水深相應(yīng)的流速vk約5.88 m/s,整個(gè)溢洪道的落差約為16.04 m,軸線(xiàn)長(zhǎng)約220 m,平均坡度為16.04/220=0.073。為了使折流墩處有較好的來(lái)流條件,并計(jì)及上述的具體條件,溢洪道在立面沿軸線(xiàn)布置成階梯形,為比較消能率,對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行試驗(yàn)研究。3個(gè)方案的區(qū)別是第二方案中第6—8臺(tái)階的出口加了0.5 m高的尾坎,第3方案又在第6—8臺(tái)階的中間增加了0.5 m高的消力坎。消力坎尺寸如圖2和圖3所示。

圖2 中坎示意圖(m)

圖3 尾坎示意圖(m)

為了使各階梯末端有較好的流態(tài),階梯的高度d與l0長(zhǎng)度要求滿(mǎn)足如下關(guān)系(見(jiàn)圖4):

顯然實(shí)際v0>vk,假如第一級(jí)從堰上下跌水流收縮斷面的vc為v0,計(jì)及水頭損失,v0=10 m/s,相應(yīng)的hc=2 m。

若整個(gè)溢洪道分為n階,那么

代入式(1)得 n≈6.7階,取 n=8,所以取 d=1.2 m,l0=20.0 m。

折流墩間距的確定原則如圖5所示,設(shè)計(jì)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)折處的 v=10 m/s,h=2.32 m,F(xiàn)r=2.10,臨界折角約為61°,取琢=60°, 并取間距b1=10 m,則b2>b1tan30°≈5.77 m。

3.2 模型制作

1)相似準(zhǔn)則與模型比尺

溢洪道的模型設(shè)計(jì)采用正態(tài)模型,遵循重力相似準(zhǔn)則[3],模型試驗(yàn)的長(zhǎng)度比尺為姿l=40。除床沙外,其它水力參數(shù)的相似比尺見(jiàn)表1。

表1 重力相似條件下的各水力參數(shù)相似

2)水工結(jié)構(gòu)模型材料、制造與安裝

根據(jù)重力相似要求,有

原型泄水建筑物的糙率np=0.015,模型泄水建筑物的糙率nm應(yīng)為因?yàn)橛袡C(jī)玻璃材料的糙率一般為0.007~0.009,與模型建筑物糙率接近,所以模型中選用有機(jī)玻璃作為泄水建筑物材料。

圖4 溢洪道階梯關(guān)系圖

圖5 折流墩示意圖

3)試驗(yàn)測(cè)試手段

供水系統(tǒng)設(shè)施:水工模型試驗(yàn)供水系統(tǒng)設(shè)施,包括蓄水池、平水塔、動(dòng)力泵、配水管和回水槽等。

試驗(yàn)量測(cè)儀器:水位與水面線(xiàn)量測(cè)儀器采用水位測(cè)針及水位跟蹤儀,用于測(cè)定恒定流水位;流速量測(cè)儀器采用南京水科院研制便攜式流速儀測(cè)量;流量量測(cè)儀器采用直角三角形薄壁量水堰,用于測(cè)定恒定流流量,量水堰堰型滿(mǎn)足量程和精度要求。

4 水工模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同研究方案溢洪道的水力特性研究

針對(duì)溢洪道的3個(gè)不同研究方案對(duì)水深、流速和消能率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究?jī)?nèi)容包括庫(kù)水位分別為23.04 m、21.64 m和20.04 m時(shí)沿程的實(shí)測(cè)水深,以及由實(shí)測(cè)水深和流量計(jì)算的沿程各點(diǎn)流速和消能率的變化。

其中,消能率η按下式計(jì)算:

式中:犖0,犖分別是庫(kù)水位和計(jì)算點(diǎn)高程;E是計(jì)算點(diǎn)的比能。

4.2 3個(gè)方案的比較及結(jié)論

1)方案比較

8臺(tái)階的出口就是原河道,它直接和原河道的沖淤情況相關(guān),所以把3個(gè)方案第8臺(tái)階出口的水深、流速和消能率比較列于表2。

表2 第8臺(tái)階出口水深 流速及消能率的比較

由表2可見(jiàn),方案3相比較其它2個(gè)方案其第8級(jí)臺(tái)階出口處的流速最低,消能率最高,且增加的鋼筋混凝土量很少,因此溢洪道最終縱剖面采用方案3。

2)關(guān)于修正實(shí)測(cè)水深的說(shuō)明

由于水面波動(dòng),無(wú)論實(shí)測(cè)水深和實(shí)測(cè)流速都有較大的誤差,為了減小誤差,進(jìn)行修正:設(shè)實(shí)測(cè)水深和實(shí)測(cè)流速分別為h和v,則顯然有q=vh。

但已經(jīng)知道正確的單寬流量為q0,當(dāng)時(shí)q≠q0,說(shuō)明實(shí)測(cè)的h,v都存在誤差,分別令△h和△v為h,v的誤差, 正確的水深h0=h+△h,v0=v+△v,須確定△h和△v。

顯然有 q0=v0h0=(h+△h)(v+△v)≈hv+v△h+h·△v,q0-hv=q0-q=△q,即△q=v△h+h△v。

如果第3方案庫(kù)水位20.04 m時(shí),實(shí)測(cè)5號(hào)臺(tái)階的水深h=1.4 m,實(shí)測(cè)流速v=4.49 m/s,由此得q=1.4×4.49=6.29 m2/s, 而正確的 q0=10.69 m2/s,所以△q=10.69-6.29=4.40 m2/s,△h=因此修正后的水深h0=1.4+ 0.49=1.89 m

4.3 原河道的保護(hù)

從8號(hào)臺(tái)階出口的水流和原河道大致90°相交。對(duì)河床的保護(hù)可以有兩種考慮:1)8號(hào)臺(tái)階下游建消力池;2)不建消力池,直接用石籠保護(hù)。經(jīng)過(guò)多個(gè)方案比較,鑒于8號(hào)臺(tái)階出口水流的弗勞德數(shù)不高,消力池的消能率很低,且在消力池出口(與原河道流向一致)有一定范圍保護(hù)措施,8號(hào)消力池出口流速不是很大,對(duì)相應(yīng)的下游水深,沖刷能力有限。因此建議不建消力池,直接用石籠保護(hù),優(yōu)化方案的保護(hù)范圍如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案河床保護(hù)范圍示意圖

優(yōu)化方案中實(shí)測(cè)A與B兩點(diǎn)的最大流速分別為 5.06 m/s和 5.31 m/s。

5 結(jié) 論

本文對(duì)鞍子河水庫(kù)溢洪道消能設(shè)施不同研究方案進(jìn)行了模型試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果及其與設(shè)計(jì)方案的比較,得出以下結(jié)論:

1)迷宮堰中心線(xiàn)與下游河道約交30°,如采用常規(guī)彎道連接迷宮堰與下游河道,溢洪道縱軸線(xiàn)須穿過(guò)一工廠,搬遷費(fèi)用較大,因此采用折流墩方案,在工廠上游把水流急劇轉(zhuǎn)60°后,進(jìn)入河道,使縱軸線(xiàn)長(zhǎng)度大大縮短。在各種庫(kù)水位下,折流墩方案的水流態(tài)都較好。

2)為了避免溢洪道出口處集中消能,溢洪道縱剖面采用階梯形,并進(jìn)行了多種方案的比較。優(yōu)化方案在各種庫(kù)水位時(shí)出口流速都小于6.0 m/s,消能率都高于60%。

3)鑒于溢洪道出口處流速不高,溢洪道出口處不建消力池,直接采用石籠保護(hù)。

[1]水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn),SL252-2000[S].中華人民共和國(guó)水利部,2000.

[2]葉青,宋憲武,胡娜.迷宮堰在鞍子河水庫(kù)工程中的應(yīng)用[J].東北水利水電,2009(7).

[3]湯慧.階梯消能與輔助消能工聯(lián)合應(yīng)用的試驗(yàn)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2011.

TV651.1;TV653

A

1002-0624(2016)04-0048-03

2016-01-18

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