豎井旋流式泄洪洞水力特性試驗(yàn)研究

王遠(yuǎn)明,趙惠新

(1.黑龍江省水利工程建設(shè)局,哈爾濱 150040;2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引 言

近些年來(lái),把完成導(dǎo)流任務(wù)的導(dǎo)流洞改建為多用途洞被水利界廣泛關(guān)注,據(jù) 《世界大壩導(dǎo)流洞兼用實(shí)例匯編》收集的116例導(dǎo)流洞兼用實(shí)例,50%以上的導(dǎo)流洞改建成了泄洪洞,20%改建成為發(fā)電引水洞或尾水洞,另外還有的改建為灌溉洞和放空洞等其他用途隧洞[1]。

鑒于導(dǎo)流洞改建的經(jīng)濟(jì)效益和泄洪洞在水利工程中的重要作用,泄洪洞逐漸成為導(dǎo)流洞改建的首選,但由于泄水建筑物水頭較大,造成泄洪洞內(nèi)流速較高,這樣的高速水流不僅會(huì)帶來(lái)諸如脈動(dòng)、振動(dòng)、空化、空蝕等水流現(xiàn)象,還會(huì)產(chǎn)生消能是否充分的問(wèn)題,因?yàn)橄懿怀浞謺?huì)導(dǎo)致高速水流對(duì)下游河岸造成嚴(yán)重的沖刷破壞,因此需要選用一種消能率高和水流條件好的體型用于導(dǎo)流洞的改建,而豎井旋流式泄洪洞作為一種內(nèi)消能工近年來(lái)被廣泛研究,國(guó)內(nèi)先后對(duì)瓦屋山、拉西瓦、公伯峽、洪家渡、溪洛渡、大梁、吉靈臺(tái)和冶勒等水利工程進(jìn)行了導(dǎo)流洞改建為豎井旋流式泄洪洞的水工模型試驗(yàn)研究[2-5]。這些研究為豎井旋流式泄洪洞作為導(dǎo)流洞改建體型應(yīng)用到實(shí)際工程中起到了重要的作用,為進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文針對(duì)一座具有拋物線(xiàn)式引水道的豎井旋流式泄洪洞進(jìn)行水力學(xué)特性試驗(yàn)研究,并分析實(shí)際應(yīng)用的可行性,為豎井旋流式泄洪洞作為導(dǎo)流洞改建體型應(yīng)用到實(shí)際工程中提供依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),正態(tài)模型,模型幾何比尺為λL=30。其它物理量比尺按照弗氏相似準(zhǔn)則換算,見(jiàn)表1。

表1 模型比尺換算表Table1 Model scale conversion

為了便于觀測(cè),整個(gè)模型全部采用有機(jī)玻璃制作,其模型糙率為0.008時(shí),根據(jù)曼寧公式按模型比尺換算得到原型糙率為0.014 1,與混凝土表面糙率0.014接近,基本滿(mǎn)足糙率相似條件。模型設(shè)計(jì)與測(cè)壓點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖1。(注:括號(hào)中的編號(hào)為位置相同的后面測(cè)點(diǎn))

圖1 模型設(shè)計(jì)及測(cè)壓點(diǎn)編號(hào)圖(單位為cm)Fig.1 Pattern layout and numbers of pressure measurement point(Units:cm)

2 流態(tài)的觀測(cè)與分析

在試驗(yàn)工況范圍內(nèi),進(jìn)水口處的流速在26～36 m/s內(nèi)變化,隨著水頭的增加流速逐漸增大,泄洪洞中流態(tài)變化突出呈現(xiàn)高速水流的流態(tài)特點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)水位的試驗(yàn)工況下,閘井段末端跌坎處補(bǔ)氣充分回流很小,起到了穩(wěn)定摻氣的作用,下游引水道內(nèi)清晰可見(jiàn)白色水流高速流過(guò),極大地降低了高速水流誘發(fā)空化的危害。渦室進(jìn)水口處有壅水現(xiàn)象,產(chǎn)生的界面水躍把引水道和渦室阻隔,且界面水躍的躍頭向上游蔓延,這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是渦室中的水流經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)一周與渦室進(jìn)水口的進(jìn)流碰撞的結(jié)果。盡管界面水躍把引水道和渦室阻隔,但由于引水道內(nèi)為無(wú)壓流且底部摻氣充分,另一方面,渦室頂部設(shè)有通氣井向渦室內(nèi)補(bǔ)氣,因此沒(méi)有產(chǎn)生渦室內(nèi)通氣不暢的現(xiàn)象。渦室內(nèi)水流旋轉(zhuǎn)充分,進(jìn)入渦室的水流由于受離心力的作用和邊界的突變影響產(chǎn)生了扇形的擴(kuò)散面,可以看到水流向上爬升到渦室頂部但未堵塞通氣井;渦室內(nèi)形成穩(wěn)定的空腔,其中心位置與豎井空腔中心偏離不大,從上向下可直接看到底部;由于水流的旋轉(zhuǎn)和壓力分布不甚均勻,渦室有明顯的振動(dòng),但考慮到巖石的固有頻率很高且有混凝土護(hù)砌,產(chǎn)生共振的幾率很小,因此振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全不會(huì)有太大影響。豎井段空腔穩(wěn)定且始端沒(méi)有發(fā)生 “嗆水”現(xiàn)象,旋轉(zhuǎn)水流射入豎井底部的消力井中,形成穩(wěn)定的水墊,透過(guò)有機(jī)玻璃可看見(jiàn)明顯的環(huán)狀水躍。原導(dǎo)流洞中水流有波動(dòng),這是由豎井中旋轉(zhuǎn)水流的擾動(dòng)引發(fā)的,雖然一直蔓延到泄洪洞出口,但由于流速低且摻氣充分并未誘發(fā)空化,也未出現(xiàn)翻水現(xiàn)象。見(jiàn)圖2。

3 泄流能力校核

從豎井旋流式泄洪洞的體型分析可知,通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的流量主要由3個(gè)位置控制,即閘井段、渦室進(jìn)水口處和渦室漸變段末端的喉管處,要想使泄量通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)必須保證下游控制段比上游控制段的過(guò)流能力大,即渦室進(jìn)水口和渦室漸變段末端的喉管處的過(guò)流能力要不小于閘井段的過(guò)流能力。

渦室進(jìn)水口處由于產(chǎn)生壅水現(xiàn)象,界面水躍的躍頭向閘井段出口蔓延,躍頭距離閘井段出口越近影響出流就越嚴(yán)重,特別情況下還會(huì)導(dǎo)致引水道滿(mǎn)流形成有壓管道大大影響泄流量,但試驗(yàn)結(jié)果顯示,到設(shè)計(jì)水位時(shí)躍頭離閘井段出口處尚有25.5 m的距離,對(duì)閘井段出流影響不大可忽略;漸縮段與豎井段連接處的喉管是閘井段過(guò)流量能否順利通過(guò)的最主要的 “瓶頸”,其主要表現(xiàn)在旋流空腔的大小是否滿(mǎn)足通氣要求,根據(jù)董興林[2]總結(jié)以往資料提出的公式,即若r/R≥0.4(R和r分別為豎井和空腔的半徑),則渦室收縮斷面處便不會(huì)發(fā)生嗆水現(xiàn)象,而從試驗(yàn)中測(cè)得設(shè)計(jì)水位下旋流空腔的平均半徑為1.8 m(豎井的半徑為4 m),由此可知r/R=0.45＞0.4,滿(mǎn)足不發(fā)生嗆水的條件,保證了通過(guò)設(shè)計(jì)泄量的過(guò)流能力。水位～流量、水位～流量系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3、圖4。

圖2 水流流態(tài)組圖Fig.2 Picture group of fluid state

圖3 水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Curve of water level and discharge

豎井旋流式泄洪洞閘井段的過(guò)流能力可按下式計(jì)算:

圖4 水位～流量系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Curve of modulus between water level and discharge

式中B為閘井段出口寬(4 m);a為閘井段出口高(5 m);H為閘井底板上水頭(設(shè)計(jì)水頭62 m)。

測(cè)得設(shè)計(jì)水位流量為 464.1 m3/s,經(jīng)計(jì)算,設(shè)計(jì)工況下流量系數(shù)為0.877,而根據(jù)以往資料總結(jié)出的滿(mǎn)足過(guò)流條件的流量系數(shù)為0.87,這表明閘井段的過(guò)流能力可以滿(mǎn)足要求。

4 壓力分布規(guī)律

在該泄洪洞的閘井段、引水道段、渦室段、漸縮段、豎井段、壓坡出口段及原導(dǎo)流洞段共布置了63個(gè)壓力測(cè)點(diǎn),各測(cè)點(diǎn)編號(hào)及布置見(jiàn)圖1。

上游水位752.0 m的設(shè)計(jì)工況下泄流,實(shí)測(cè)泄洪洞各點(diǎn)壓力特征值見(jiàn)表2?？梢钥闯?泄洪洞閘井段短壓力進(jìn)水口的壓力均為正值,進(jìn)口壓力均方差值小,表明進(jìn)口壓力平穩(wěn),水流波動(dòng)小。引水道空腔穩(wěn)定有一定負(fù)壓,空腔內(nèi)實(shí)測(cè)最小壓力值為-3.02 kPa(壓力測(cè)點(diǎn)11)。受水躍的影響,渦室進(jìn)口前引水道邊墻的壓力均方差較大,壓力波動(dòng)強(qiáng)烈。受離心力影響,邊墻壓力在引水道橢圓曲線(xiàn)段迅速增大,并在橢圓曲線(xiàn)和渦室圓弧相交點(diǎn)附近達(dá)到極值,進(jìn)入渦室后,邊壁壓力稍有減小,壓力波動(dòng)很快降低。在引水道左側(cè)底板下緣,由于水流交匯摻混回旋劇烈,壓力波動(dòng)較大,但壓力值為正,該部位(壓力測(cè)點(diǎn)28)實(shí)測(cè)壓力均方差值為68.42 kPa,實(shí)測(cè)時(shí)均壓力為190.20 kPa。在引水道右側(cè)底板下緣,由于水流分離作用,壓力較小,有時(shí)存在負(fù)壓,實(shí)測(cè)該部位(壓力測(cè)點(diǎn)29)最小壓力值為-0.15 kPa。豎井段內(nèi)壓力沿井深呈增大趨勢(shì),豎井段接近消力池底部的壓力均方差值大,水流沖擊振蕩劇烈,豎井段實(shí)測(cè)最大壓力均方差值為52.48 kPa(壓力測(cè)點(diǎn)45)、62.84 kPa(壓力測(cè)點(diǎn)47)和49.51 kPa(壓力測(cè)點(diǎn)48);豎井段實(shí)測(cè)最大壓力值(壓力測(cè)點(diǎn)48)為487.10 kPa。豎井出口壓坡頂部壓力較小,且存在一定負(fù)壓,實(shí)測(cè)頂板最小壓力值為:-0.27 kPa(壓力測(cè)點(diǎn)51)。受豎井段內(nèi)水流強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)作用的影響,出口兩側(cè)靠近渦室部位的壓力不對(duì)稱(chēng),迎水流旋轉(zhuǎn)側(cè)壓力明顯較大,實(shí)測(cè)兩側(cè)最大壓差達(dá)57 kPa。受水舌跌落影響,深孔泄洪洞段靠近豎井出口部位的底板壓力較大,波動(dòng)也明顯,在其下游部位,水流流態(tài)趨于平緩,底板壓力及其波動(dòng)值均迅速減小。

從壓力分布來(lái)看,各段局部壓力相對(duì)均勻,平均壓力最大的部位是豎井段底部,平均壓力最小的部位是原導(dǎo)流洞段,局部最大平均壓力和脈動(dòng)壓力均滿(mǎn)足承載力要求不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,局部最小壓力處負(fù)壓很小,誘發(fā)空化的可能性不大,但在施工中應(yīng)注意減小糙率增加光滑度。

表2 實(shí)測(cè)泄洪洞各點(diǎn)壓力特征值Table 2 Measured pressure points eigenvalue of spillway /kPa

續(xù)表2Continue table 2 /kPa

5 消能率

旋流式豎井的消能機(jī)理主要體現(xiàn)在:①水流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力使壁面的壓力加大進(jìn)而增加了摩擦阻力,同時(shí)由于水流旋轉(zhuǎn)形成螺旋軌跡使行程變長(zhǎng)進(jìn)一步使沿程水頭損失增加;②由于急劇的轉(zhuǎn)彎使水流為急變流狀態(tài)造成了一定程度上的局部水頭損失(即彎道效應(yīng));③水流摻氣后急劇的紊動(dòng)加之水流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的流速梯度導(dǎo)致流層間的剪切和旋渦以及水流射入水墊塘中所產(chǎn)生的剪切、旋滾和碰撞等各種能量耗散。

設(shè)計(jì)水位下,各水力要素見(jiàn)表3。圖1中1-1斷面處平均流速可按式(2)計(jì)算:

式中V為1-1斷面的平均流速;Q為流量;A為1-1斷面處的過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA=π|R2-(R-d)2|,其中R為豎井半徑(4 m),d為1-1斷面處平均水層厚度。

表3 設(shè)計(jì)工況水力要素表Table 3 Hydraulic elements of design conditions

根據(jù)式(3)和式(4),可求出各段的水頭損失,繼而求出各段消能率,見(jiàn)表4。

式中H為進(jìn)水口底板水頭,設(shè)計(jì)工況下H=62 m;ΔHi為進(jìn)水口底板到各斷面水面的高差;vi為各斷面上的平均流速;hi為各斷面以上的總能量損失,其中i=1,2,3分別表示1-1斷面,2-2斷面和3-3斷面。g為9.81 m/s2。

表4 消能率分布表Table 4 Distribution of energy dissipation rate

由表4可見(jiàn),1-1斷面以上的水頭損失為70.4 m,其中包括閘井段的局部水頭損失、引水道的沿程水頭損失以及渦室和豎井段的沿程水頭損失和局部水頭損失,消能率為61%;2-2斷面以上的水頭損失為97.5 m,除去1-1斷面以上的水頭損失即為消力井中的水頭損失27.1 m,其消能率為23%;2-2斷面與3-3斷面之間為原導(dǎo)流洞段,水頭損失為6.8 m,消能率為7%。整個(gè)系統(tǒng)的總消能率達(dá)到了90%,出口流速接近15 m/s,說(shuō)明該具有拋物線(xiàn)式引水道的豎井旋流式泄洪洞的消能作用十分明顯,為豎井旋流式泄洪洞作為改建導(dǎo)流洞的合理體型創(chuàng)造了條件。

6 結(jié) 論

從模型試驗(yàn)的角度研究分析具有拋物線(xiàn)式引水道的豎井旋流式泄洪洞的水力特性,結(jié)果表明:流態(tài)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的要求;過(guò)流能力也能夠達(dá)到泄流的標(biāo)準(zhǔn);壓力分布相對(duì)比較均勻,個(gè)別處脈動(dòng)壓力時(shí)均值稍大但不會(huì)引起共振,而個(gè)別負(fù)壓區(qū)絕對(duì)值較小誘發(fā)空化的概率不大;從試驗(yàn)過(guò)程觀察通氣較正常不影響過(guò)流;總消能率達(dá)到了90%,在相同條件下比其它形式內(nèi)消能工的總消能率高,如黃河小浪底泄洪洞設(shè)置了4級(jí)孔板消能,其內(nèi)部總消能率為65%,出口流速＞30 m/s[6],而消力井式內(nèi)消能工當(dāng)上游庫(kù)水位較高進(jìn)口被淹沒(méi)時(shí),消能率僅為30%～50%。綜上所述,具有拋物線(xiàn)式引水道的豎井旋流式泄洪洞具備改建導(dǎo)流洞的條件,可以在實(shí)際工程中應(yīng)用,但在運(yùn)行初期應(yīng)使流量控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)并做好監(jiān)測(cè)工作,同時(shí)進(jìn)行原型觀測(cè),將得到的數(shù)據(jù)與模型試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析,再判斷設(shè)計(jì)流量工況下運(yùn)行的可靠性。

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