許思平,李大亮,袁翠平,詹靖東

(1.宣城市郎溪縣水務(wù)局,安徽 宣城 242000;2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,南京 210012;3.揚州大學(xué),江蘇 揚州 225000)

0 引 言

文章研究的小型水庫,因工程布置和調(diào)度運用的需要,設(shè)溢流堰和溢洪閘泄流雙通道。為保證設(shè)計、運行安全,進一步掌握分建的溢洪閘和溢流堰水流流態(tài),優(yōu)化設(shè)計,本項目對水庫的泄流雙通道進行模型試驗,確定流態(tài),提出優(yōu)化措施,泄流雙通道的設(shè)計、運行積累了經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 水庫概況

文章所研究的水庫是一座以防洪、供水為主,兼顧灌溉、水生態(tài)的綜合利用工程。大壩主、副壩均為均質(zhì)土壩,主壩全長1589m,南側(cè)副壩長750m,北側(cè)副壩長1251m,壩頂高程為18.40m(黃海高程,下同)。水庫死水位10.9m,死庫容52.83萬m3,汛限水位14.00m,興利水位15.50m,興利庫容593萬m3,采用50a一遇洪水設(shè)計,設(shè)計洪水位16.17m,300a一遇洪水校核,校核洪水位17.10m,總庫容929萬m3,屬小(1)型水庫。

1.2 泄流雙通道概況

根據(jù)初步設(shè)計報告,為滿足運行管理需要,水庫泄流建筑物采用泄洪閘、溢流堰泄流雙通道。其中,溢洪閘閘底板高程 10.5m,閘門總凈寬 33m,溢流堰頂高程與汛限水位相等,即 14.0m,堰頂寬30m[1]。

經(jīng)方案比選,溢洪閘和溢流堰分開布置。此方案雖占地稍大,但泄洪閘軸線順直,水流流態(tài)較好。溢流堰軸線雖在海漫后轉(zhuǎn)彎,但溢流堰流量較小,對水流流態(tài)影響較小,且分開布置便于管理區(qū)建設(shè),方便后期管理,利于管理區(qū)景觀提升。泄洪閘和溢流堰泄流雙通道布置見圖1。

圖1 泄洪閘和溢流堰泄流雙通道平面布置圖

2 泄流雙通道流態(tài)模型試驗

2.1 模型建立

為進一步研究雙通道泄流的流態(tài),對水庫的溢流堰和泄洪閘的布置進行水工模型試驗。根據(jù)試驗結(jié)果,提出優(yōu)化措施,滿足工程安全運行需要。

模型模擬范圍為雙通道上游水流入口段,溢流堰、泄洪閘、泄洪通道、下游部分排水河道邊界為模型邊界,高程為水庫最高水位至下游排水河道最低水位,試驗中根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整試驗范圍。具體范圍見圖1。

2.2 試驗工況的選取

模型工況的選擇主要從過閘流量、下游水位及結(jié)合調(diào)度運行工況來選擇。根據(jù)水庫調(diào)洪驗算,選取最不利工況即泄洪閘流量最大的工況,并選擇該工況上下臨近時段作為其他試驗工況。同時考慮管理運行需要(小于5a一遇洪水僅溢流堰溢流),僅溢流堰溢流時,最大流量 106 m3/s,對應(yīng)下游河道水位 7.25m。因此,本次模型試驗選擇以下4種工況,見表1。

表1 試驗工況表

2.3 試驗方法概述

試驗中庫水位通過三向疊梁式溢水箱控制,通過控制泄洪閘閘門和下游尾水閥的開度控制下泄流量和下游水位。在上下游達到穩(wěn)定時,記錄下各個閘門的開度以及電磁流量計的流量以此來進行流量校核。

雙通道泄流流態(tài)通過 DPIV 和示蹤液進行各工況流態(tài)采集。面層撒布示蹤粒子,然后由 DPIV采集其運動軌跡,通過軟件分析,得到對應(yīng)部位面層流場矢量圖和云圖等,底部流場通過化學(xué)示蹤液的流動軌跡展示。

流量通過電磁流量計計量。水位通過智能水位儀測量,同時通過刻度貼紙對照驗證。流速通過流速儀測定分析。

試驗時,啟動供水泵,通過進水箱內(nèi)的疊梁式水位調(diào)節(jié)板,使上下游河道水位達到試驗工況對應(yīng)水位,待水流穩(wěn)定后,通過 DPIV、示蹤液等采集相關(guān)試驗數(shù)據(jù),并進行初步分析,每個工況相應(yīng)數(shù)據(jù)采集 2 次以上,以驗證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定一致,確保數(shù)據(jù)可信度。后期數(shù)據(jù)處理過程中有疑問的數(shù)據(jù),均進行二次試驗,重新采集數(shù)據(jù)分析。

2.4 各工況流態(tài)試驗結(jié)果

1)工況1:庫水位 14.3m,下游河道水位 8.24m,流量 158m3/s。

2)工況2:庫水位 15.13m,下游河道水位 10.21m,流量 559m3/s。

3)工況3:況庫水位 16.29m,下游河道水位 12.55m,流量 574m3/s。

4)工況4:庫水位 15.74m,下游河道水位 7.25m,流量 106m3/s。

經(jīng)模型試驗驗證,在工況1～3下,溢流堰下游水流流速均較緩,泄洪閘下游水流流速較快,僅因為流量不同,同一位置流速大小有區(qū)別;同時,在下游溢流堰與泄洪閘匯合處均形成了較大范圍的偏流漩渦,影響兩泄洪通道的泄流順暢;因此需要采取措施,進一步的整流,使得水流順暢,消除下游的偏流漩渦。在工況4下,在僅有溢流堰下泄的工況下,自上而下,水流順暢,流速較緩,水流流態(tài)較好。

2.5 本節(jié)試驗總結(jié)

通過上述4個原設(shè)計工況的試驗,得到以下結(jié)論:

1)雙通道泄流時,因泄洪閘下泄水流流速較大,溢流堰下泄水流流速較小,泄洪閘下泄的水流會對溢流堰下泄水流產(chǎn)生影響。

2)雙通道泄流時,在泄流的交匯處存在偏流漩渦,下游低水位時漩渦區(qū)較大,下游高水位時漩渦區(qū)較小。

3)溢流堰單獨泄流時,下泄水流流態(tài)順暢。

4)在泄流的交匯處需要進行整流優(yōu)化。

3 整流措施

3.1 整流措施的選擇

通過模型試驗,分別選取在溢流堰和泄洪閘泄流交匯處設(shè)置導(dǎo)流墻、整流柱和斜降收縮型導(dǎo)流體,觀察這三種措施下的水流流態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場觀察,設(shè)置整流柱方案基本對流態(tài)改善無明顯效果,導(dǎo)流墻和斜降收縮型導(dǎo)流體均可改善溢流堰及泄洪閘交匯處及下游的流態(tài),但斜降收縮型導(dǎo)流體改善效果更明顯。因此,最終采取在溢流堰和泄洪閘交匯處設(shè)計斜降收縮型導(dǎo)流體的整流方案。

3.2 導(dǎo)流體位置選擇

1)位置確定方法:通過在模型上畫出網(wǎng)格,將斜降收縮型導(dǎo)流體擺在不同的位置上測出斷面的流速均勻度,確定斜降收縮型導(dǎo)流體的最佳位置,具體見圖2～5。

圖2 導(dǎo)流體位置1

圖3 導(dǎo)流體位置2

圖4 導(dǎo)流體位置3

圖5 導(dǎo)流體位置4

2)試驗方法:為了優(yōu)選導(dǎo)流體的位置,采用流速均勻度作為評判指標(biāo)進行評判,流速的測試斷面(見圖6)所示位置。試驗中在匯流位置下游選取測試斷面,在其上布置了七條測線,測量每條測線的 0.6 倍水深處軸向流速(近似認為 0.6 倍水深處流速為該測線平均軸向流速)。

圖6 流速測試斷面位置及測線位置

3)試驗結(jié)果:導(dǎo)流體不同位置時,各測點的流速均勻度見表2。

表2 不同位置導(dǎo)流體下的各測點流速均勻度

根據(jù)表2流速均勻度的計算,可以看出導(dǎo)流體處于位置3時,流速均勻度相對較好。

3.3 設(shè)置導(dǎo)流體后各工況流態(tài)試驗結(jié)果

試驗工況和試驗方法同2.2節(jié)和2.3節(jié),具體結(jié)果如下:

工況1:庫水位 14.3m,下游河道水位 8.24m,流量 158m3/s。

工況2:庫水位 15.13m,下游河道水位 10.21m,流量 559m3/s。

工況3:庫水位16.29m,下游河道水位12.55m,流量574m3/s。

工況4:庫水位15.74m,下游河道水位7.25m,流量106m3/s。

經(jīng)模型試驗驗證,通過設(shè)置斜降收縮型導(dǎo)流體,在四種不同工況下,溢流堰與泄洪閘交匯處及其下游水流流態(tài)均得到明顯的改善,匯流處的偏流漩渦區(qū)消失。

3.4 本節(jié)試驗總結(jié)

1)通過設(shè)置斜降收縮型導(dǎo)流體,泄洪閘下泄的水流對溢流堰下泄水流的影響降低。

2)通過斜降收縮型導(dǎo)流體,消除了在泄流的交匯處偏流漩渦。

3)通過斜降收縮型導(dǎo)流體,無論是泄洪閘單獨泄流還是與溢流堰共同泄流,流態(tài)都較為順暢。

4 結(jié) 論

1)原設(shè)計工況下,雙通道泄流時,由于泄洪閘和溢流堰下泄水流流速偏差大,在雙通道的交匯處,水流流態(tài)存在偏流漩渦。

2)原設(shè)計工況下,溢流堰單獨泄流時,下泄水流能滿足水流順暢的要求。

3)通過在溢流堰和泄洪閘交匯處增加斜降收縮型導(dǎo)流體,泄洪閘下泄的水流對溢流堰下泄水流的影響降低,導(dǎo)流體消除了交匯處的偏流漩渦。

4)通過增加斜降收縮型導(dǎo)流體,無論是泄洪閘單獨泄流還是與溢流堰共同泄流,流態(tài)都較為順暢。