福建省洋口水库溢洪道模型试验和挑流鼻坎优化研究.pdf
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1、2023年10 月引用格式:李昌垣.福建省洋口水库溢洪道模型试验和挑流鼻坎优化研究J.水利水电快报,2 0 2 3,44(10):49-53.水利水电快报EWRHI第44卷第10 期福建省洋口水库溢洪道模型试验和挑流鼻坎优化研究李昌恒(江西省水利科学院,江西南昌330 0 2 9)摘要:为验证福建省洋口水库水工溢洪道设计参数指标及布置的合理性,对该水库的泄流能力、水流流态、消流防冲、冲坑形态、河道冲刷等方面进行模型试验,并对挑流鼻坎体型参数进行优化,增加差动鼻坎,从而减轻下游河床冲刷。结果表明:溢洪道泄流能力达到设计要求,溢洪道流态稳定,鼻坎优化方案明显改善了消能效果,研究成果对类似工程结构设
2、计优化有一定借鉴意义。关键词:溢洪道;差动鼻坎;消能防冲;水工模型试验;洋口水库中图法分类号:TV131.61文章编号:10 0 6-0 0 8 1(2 0 2 3)10-0 0 49-0 50 引 言溢洪道是水库泄洪的主要建筑物,其建筑形式设计与布置的合理性关系到水库的运行安全。为研究溢洪道的泄洪能力,分散挑流能量,改善冲坑形态,科研人员对泄流建筑物挑坎型式做出研究和改进,如提出差动式、宽尾墩式、窄缝式、舌瓣式等挑坎型式1。黄智敏等2-4 研究了各型式挑坎,特别是差动式挑坎的水力学特性;虞佳颖等5 重点研究了纵向错落差动式挑坎;赵建坤等 通过模型试验验证了差动式鼻坎的消能效果。为验证洋口水库
3、设计合理性并提出优化意见,本文开展了水库模型试验,包括水工模型试验和局部动床冲刷试验,选择了差动式鼻坎的优化方案,优化方案下挑流水舌在纵向上前后距离拉长,可有效分散挑流能量,减轻对下游河道的冲刷,使下游冲坑形态得到改善。1工程概况洋口水库位于福建省南平市顺昌县,是一座以灌溉为主、兼有供水任务的中型水库。正常蓄水位为2 98.0 0 m,相应库容1410 万m。大坝设计为三心圆双曲中厚拱坝,坝底高程2 41.0 0 m,最大坝高61m,坝顶厚4m,坝底厚14.40 6 m,坝顶总长183.733m,其中左、右岸挡水坝段轴线各长73.956m。溢流堰段轴线总长35.8 2 m。水库溢流收稿日期:2
4、 0 2 3-0 2-17作者简介:李昌垣,男,工程师,主要从事水利模型试验和模型自动化测控方面的研究工作。E-mail:49.文献标志码:AD0I:10.15974/ki.slsdkb.2023.10.008堰采用3孔表孔溢流,溢流堰堰顶高程2 94.30 m,溢流净宽为33m。每孔设置一扇平面钢闸门作为工作闸门,闸门平面尺寸为10.8 6 m4.90m。堰顶头部为椭圆曲线,下游堰面采用WES曲线,堰后接反弧段,反弧半径为10 m,末端采用挑流消能,挑角为15。溢流段下游坝脚设置厚1.5m的C25混凝土护坦,用以减轻施工期洪水及运行期小流量对下游坝脚的淘刷。冲刷坑位于坝线下游50 m左右,该
5、处河床宽约2 5m,表层为砂砾石、漂石层,厚3.5m左右,抗冲刷能力一般,基岩面高程约243.2m。基岩面多为微风化的石英细砂岩,岩质坚硬,岩体较完整,工程平面布置如图1所示。2模型设计与制作水库模型为正态模型,建造和试验方法均参照水利部SL155-2012水工(常规)模型试验规程执行,按重力相似及几何相似设计7-8 ,几何比尺定为1:40,入L=入H=40,原型溢流堰表面糙率为0.0140.016,模型溢流堰采用光滑有机玻璃制作,模型糙率为0.0 0 8 左右,基本能满足糙率相似性要求。模拟范围为溢流堰上游库区、拱坝、溢流堰及下游450 m河道。上游库区的模型地形最高高程为305m,下游河道
6、的模型地形最高高程为2 6 0 m。为保证模型坝体的制作和安装精度,采用高精度雕刻机切出坝体轮廓断面板,安装到位后形成坝体2023年10 月水利水电快报EWRHI第44卷第10 期6270输0巧道导流底孔303.23023021244.5C25混凝王护坦T4K32220放空孔输0-0 10.50 0500360sX302【30 2 1输0+0 2 0.0 0 0输0+0 2 6.0 0 010+030.000输0+0 0 0.0 0 0输0+0 0 5.0 0 00Q坝0+0 0 0C1302325物公路心水泥输0+116.0 0 0141.50047300T00混凝大.100图1工程平面布置
7、Fig.1Layout of the project立体轮廓,再砌砖和填充水泥砌筑坝体;为加固坝身防止其位移,在坝体与地面的衔接上采用预埋钢筋加固。模型采用动床冲坑试验模拟挑流对下游河床段冲刷,模型在溢流堰护坦以下、挑流水舌跌落点附近做成冲坑,根据坝址区现场河床地质条件,取下游河道抗冲流速V为8.0 m/s,冲坑内模型砂的粒径D范围依兹巴什公式V=(57)/D 计算,采用砂石粒径范围3.2 7 6.40 cm,中值粒径6 cm,试验工况如表1所示。3试验结果分析3.1散泄泄流能力闸门全开时泄流成果如表2 和图2 所示,试验50.表1模型试验工况Tab.1 Test conditions of
8、model工况下泄流量/(m3 s-1)校核工况1229设计工况726消能工况648常遇洪水工况342结果表明,三孔敞泄时,各流量下上游水位试验值曲线在设计值曲线以下。其中,消能工况、设计工况以及校核工况的试验上游库水位分别为2 98.7 2,299.04m和30 1.0 8 m,较相应的设计值2 98.8 6,299.20m和30 1.2 2 m分别低0.14,0.16 m和0.14m,溢洪堰泄流能力满足设计要求。3.2三孔闸控泄流能力进行了三孔均匀局部开启泄流试验,设置三闸洪水频率P/%0.102.003.335.00李昌垣福建省洋口水库溢洪道模型试验和挑流鼻坎优化研究门开度e分别为0.5
9、,1.0,1.5,2.0,3.0 m和4.0 m,分别测得同一开度固定时的库水位与流量间关系,试验成果见图3,反映了不同开度下的库水位与流量关系。从水位和流量曲线可以看出,同一开度情况下,上游水位随下泄流量的增大而增大,两者基本呈线性关系,线条光滑。表2 库水位与流量关系(散泄)Tab.2Relation between reservoir water level and flow(open discharge)工况下泄流量/试验库水位设计库水位H-H2/(m:s-)H,/m常遇洪水工况342消能工况648设计工况726校核工况1229302301F300F2992982972962950图2
10、 库水位与流量关系曲线(散泄)Fig.2Reservoir water level-flow relation curves(open discharge)3023013002992982972962950图3库水位一流量关系曲线(闸门局部开启)Fig.3Reservoir water level-flow relation curves(gate partially opened)3.3进口段流态泄时,各工况下堰前进水口处水面平稳,无明显波动,进水平顺,流态总体良好,未见明显不良水力现象,水流流经溢流堰时未见明显不良水力现象。但是,由于闸孔径向收缩以及边墙挤压的作用,横向上水流深度不均匀,在
11、校核工况下,出坎水流水位超过导墙末端高度,高出左边墙0.2 6 m、右边墙1.2 0 m。控泄时,堰前水面平稳,无明显波动。常遇洪水工况下,三孔平面闸门迎水面出现一定强度的漩涡,漩涡在平面钢闸门左右两端,靠近闸门槽,水流流经溢流堰时未见明显不良水力现象。3.4出口流态与消能防冲原设计方案下,各工况均能形成挑流,挑流水舌均落于河道中间,水舌归槽性好,未发生水流直接冲击左右岸坡现象,挑流水舌人水处纵向上宽度小,单宽流量大,水舌人水远点挑距与近点挑距H,/mm297.27297.37298.72298.86299.04299.20301.08301.22设计水位试验水位1L200400流量/(ms*
12、).om200400流量/(ms)十分接近,水流能量集中在一条线上,特别是在大-0.10-0.140.16-0.14一600800600800流量工况下(校核、设计工况),对冲坑的淘刷作用非常明显,冲坑内水体翻滚,将冲坑内砂石大量卷起并冲到下游。为准确模拟水流对下游河道的淘刷情况,所有工况的冲坑动床冲刷试验均是在挑流稳定后,连续放水冲刷至少5h,并将堆积在冲坑下游的砂石及时清除,待不再有砂石被冲起、冲坑形态基本稳定,再停水测量。各工况都有明显的冲坑冲出,冲坑最深点基本在河道中央,存在的主要问题为:挑流水舌落人下游水面处纵向上宽度小,单宽流量大,水流能量过于集中;校核100012001400散泄
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