劉賢鵬,刁明軍,徐蘭蘭
(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610065)
枕頭壩江溝隧洞段總長(zhǎng)1 869.03 m,平均縱坡i=0.052。隧洞段設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)彎段,第一個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑為300 m,轉(zhuǎn)彎角為 22°13″44′;第二個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑為 1 000 m,轉(zhuǎn)彎角為21°59″27′。經(jīng)模型試驗(yàn)優(yōu)化,排水洞出口挑坎總長(zhǎng)度26.50 m。
設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,相應(yīng)洪水流量為544.7 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)取200年一遇,相應(yīng)洪水流量為723 m3/s。消能防沖建筑物的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇(P=3.33%),相應(yīng)洪峰流量492 m3/s;目前正在進(jìn)行工程施工階段,模型試驗(yàn)采用1∶40的正態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。
泄洪洞消能防沖設(shè)施的型式有挑流、低流、面流、戽流等消能工。其形式選擇應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件、泄流能力、運(yùn)行方式、下游水深及河床抗沖能力、消能防沖要求、下游水流銜接及對(duì)其它建筑物的影響等因素,通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比選定。目前國(guó)內(nèi)外大部分采用挑流消能。挑流消能是在泄槽末端修筑挑流鼻坎,利用鼻坎將從泄槽下泄的高速水流挑射到距離建筑物較遠(yuǎn)的地方;在挑射的過(guò)程中,水流受空氣阻力而擴(kuò)散并摻入大量空氣,降落到下游水面后,又受到下游水體的碰撞、剪切和混摻以減少對(duì)河床沖刷。本試驗(yàn)消能工采用挑流加消力池聯(lián)合消能的形式消能。
初始設(shè)計(jì)體型消力池采用消力坎式,消力池內(nèi)采用動(dòng)床的形式,動(dòng)床模型試驗(yàn)的模擬對(duì)象是河床基巖,采用水平鋪沙方式,根據(jù)基巖高程確定模型散離體鋪砂高程。消力池內(nèi)基巖高程為603 m,水平鋪沙高程至610 m,同時(shí)為了有效的消能,在挑坎出口水流落點(diǎn)范圍內(nèi)鋪一層高為3 m相互串聯(lián)的四面體消力池尾坎布置在下游河道里程K0+320的位置上,消力池尾坎高程為616 m,尾坎的形狀采用梯形結(jié)構(gòu),消力池總長(zhǎng)108 m,消力池平面布置圖見(jiàn)圖1。
圖1 初始體型消力池平面布置圖
試驗(yàn)表明,相互串聯(lián)的四面體能夠增大對(duì)水流的磨擦力,能消耗一部分能量;同時(shí),相互串聯(lián)的四面體對(duì)水流具有防沖的作用,沖刷情況比較理想。由于排水洞出口與下游河道有一定夾角,挑流水流偏向左岸,水流落點(diǎn)在河道左岸;排水洞落差將近100 m,下泄200年一遇洪水時(shí),挑流出口水流流速達(dá)到25 m/s,池內(nèi)產(chǎn)生不完整水躍,水流劇烈紊動(dòng),漩滾不明顯。主流集中于左股并沖出尾坎,尾坎處水面涌高??埠笏鞒实琢魇椒植?左側(cè)流速達(dá)13 m/s,中間流速達(dá)11 m/s,右側(cè)流速5 m/s,橫斷面流速分布懸殊很大,坎后發(fā)生斜向的二次水躍。本試驗(yàn)說(shuō)明,挑流加消力池聯(lián)合消能有一定效果,但消力池內(nèi)流態(tài)較差;受地形的限制,消力池內(nèi)消能不充分,在消力池后形成了斜向二級(jí)水躍,如果不對(duì)消力池進(jìn)行有效的優(yōu)化,將對(duì)下游河道造成了嚴(yán)重的沖刷,其下游流態(tài)流速如圖2;為改善流態(tài),提高消能效果,又進(jìn)行了多個(gè)設(shè)置輔助消能工的對(duì)比試驗(yàn)。其中,有代表性的是,在一級(jí)消力池后,布置了一排三角形消力墩。
圖2 200年一遇初始體型下游河道流速分布圖
在一級(jí)消力池后布置消力墩后形成二級(jí)消力池,消力墩均被用來(lái)穩(wěn)定水躍,并消殺各類水工建筑物(如溢洪道、泄水道、底孔及其跌水建筑物等)下游的剩余動(dòng)能。這便是眾所周知的強(qiáng)迫水躍,強(qiáng)迫水躍的特征與典型的自由水躍大不相同它不僅使水流分離,并在消力墩后產(chǎn)生渦流,而且在消力墩上還作用著一種阻力。是底流消能的基本形式,是一種輔助消能工。
由于一級(jí)消力池出口水流偏向左岸,橫斷面流速分布懸殊很大,左岸水流流速較大,在200年一遇洪水流量時(shí),橫斷面流速分布懸殊很大,在消力池后形成了流速約為13 m/s的斜向二級(jí)水躍,在此種情況下,根據(jù)地形,為了在二級(jí)消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍,達(dá)到消能效果。文中提出了在消力池下游設(shè)置一排與一級(jí)消力池平行的7個(gè)三角形消力池趾墩,以抬高下游水位,借以產(chǎn)生強(qiáng)迫水躍來(lái)進(jìn)行消能。由于左岸流速比右岸流速大,左岸趾墩布置比右岸稍微密集。為了保證最不利情況下水躍仍發(fā)生在二級(jí)消力池內(nèi);反復(fù)通過(guò)模型試驗(yàn)研究,最后確定二級(jí)消力池池底高程610 m,池長(zhǎng)為15 m,尾坎高3 m,三角形趾墩的底邊長(zhǎng)5 m,高3 m,兩邊長(zhǎng)3.9 m。左岸第一個(gè)趾墩盡量與左岸靠近,左岸4個(gè)三角形趾墩,每個(gè)趾墩相距4.8 m,右岸4個(gè)趾墩每個(gè)趾墩相距6 m。
一級(jí)消力池出口水流流速大、能量高,行進(jìn)中受到二級(jí)消力池趾墩的阻擋、分流后,在趾墩前產(chǎn)生較強(qiáng)烈的旋滾、紊動(dòng),并形成一些小尺度旋渦,消散了部分動(dòng)能;通過(guò)疏密相間的趾墩后的水流流量沿橫向重新進(jìn)行了分配,使其在池中得以均勻擴(kuò)散,有效消除了原設(shè)計(jì)中存在斜向二級(jí)水躍,坎后左側(cè)流速達(dá)4 m/s,中間流速達(dá)3.8 m/s,右側(cè)流速3 m/s,可見(jiàn),消能效果較好,下游流態(tài)也得到了改善,同時(shí)下游河道沿程水面高程有所降低,可以有效的減少河道護(hù)坡的高程,減少工程量。其下游流態(tài)、流速及下游河道水面高程比較見(jiàn)圖3,表1。
表1 消力池優(yōu)化前后(200年一遇)下游水面高程比較m
圖3 優(yōu)化后200年一遇下游河道流速分布圖
輔助消能工主要靠小尺度漩渦,在池內(nèi)摻混、剪切、劇烈紊動(dòng)而形成強(qiáng)迫水躍,提高池內(nèi)消能率,調(diào)整下游流速分布,減小沖刷。
由于一級(jí)消力池出口水流偏向左岸,消力池出口水流不均勻,橫斷面流速分布懸殊很大,在消力池后形成了流速約為13 m/s的斜向二級(jí)水躍。本文通過(guò)水工模型試驗(yàn),對(duì)消力池進(jìn)行優(yōu)化,提出了在消力池后增設(shè)一排疏密相間消力池趾墩。結(jié)果表明,通過(guò)優(yōu)化后,消力池下游二級(jí)水躍情況基本上消除了,同時(shí)減少了下游河道護(hù)坡高程,減少了工程量。本工程根據(jù)試驗(yàn)選定的輔助消能型式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,充分發(fā)揮了其消能效果,該成果已被工程所采納。
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