某工程溢流表孔水力特性模型试验

成 斌

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

某工程溢流表孔水力特性模型试验

成 斌

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

为了验证新疆某工程溢流表孔设计的合理性，通过水工模型试验对溢流表孔的堰面曲线、斜坡、反弧段的设计体型进行验证。结果：溢流表孔的泄流能力略小于设计泄流能力，沿线均为正压，仅在出口处出现负压，但负压值较小，不会出现空蚀破坏；挑流消能效果较好，冲涮坑离挑流鼻坎较远不会危及鼻坎的安全；成果已被设计采用。

水工模型；试验；溢流表孔；水力特性

1 工程概况

某工程位于新疆某地区，具有调水、灌溉、发电等综合效益。该主要由挡水大坝、发电引水洞和电站厂房等组成。挡水大坝为混合坝，溢流表孔、导流兼泄洪底孔布置在混凝土重力坝段，引水发电系统和电站厂房布置在河道的左岸。

该水库总库容0.32亿m3，正常蓄水位1 282.0 m，死水位1 276.0 m，调节库容0.10亿m3，最大坝高73.2 m，电站装机容量50 MW；根椐《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000规定，各建筑物级别为：大坝、泄水建筑物、灌溉放水和发电引水进水口为2级建筑物；灌溉放水管、发电引水洞和电站厂房为3级建筑物；临时建筑物为4级。

溢流表孔布置在主河床段，设计洪水下泄流量472.52 m3/s，校核洪水下泄流量538.28 m3/s，溢流表孔设2孔，布置在两个坝段内，单孔净宽8 m，边墩厚2 m，溢流前缘净宽为22.50 m，堰顶高程1 276.0 m，采用弧形工作门挡水，孔口尺寸（宽×高）为8.0 m×7.0 m，工作门前设1道事故检修门。溢流堰面曲线y=0.109x1.85与下游坝坡1：0.75相切，溢流堰顶点上游用三圆弧与上游坡相接，下游采用挑流消能方式，反狐半径25.0 m，溢流面挑坎顶高程为1 241.292 m，高于下游最高洪水位1 239.0 m，挑射角24.73°。

2 水工模型简介[1]

2.1 模型设计

按重力相似准则设计模型，进行正态水工模型试验。模型几何比尺Lr=40，各物理量的比尺如下：

（1）水力参数的相似比尺列于表1；

表1 重力相似条件下的各水力参数相似

混凝土糙率0.012～0.014，要求模型糙率为nm=0.0065～0.0076 ，有机玻璃糙率为0.007，采用有机玻璃做模型材料制作泄水建筑物满足要求。

2.2 模型制作

为使模型试验能够较真实地反映原型的水流情况，在选择水工结构模型材料时必须近似顾及模型材料的糙率要求。

原型泄水建筑物的表面糙率取值为np=0.014，下游河道的糙率np=0.033。

模型泄水建筑物的糙率nm应为nm=0.00757，下游河道的糙率为nm=0.0178。

有机玻璃材料的糙率一般为0.006～0.008，所以模型中泄水建筑物材料选用的是有机玻璃。常规混凝土的糙率为0.014，下游河道材料选用的是混凝土抹面并用细微砂砾加糙（见图1）。

图1 溢流表孔模型图

3 试验结果[1、2]

3.1 溢流表孔泄流能力

设计水位1 282 m溢流表孔单独泄流，下泄流量为453.93 m3/s，比设计流量458.30 m3/s小4.37 m3/s（0.95%）；校核水位1 282.64 m溢流表孔单独泄流，下泄流量为526.21 m3/s，比校核流量533.09 m3/s小6.88 m3/s（1.29%）。

溢流表孔在设计水位1 282 m，随着孔口开度的增大，泄流能力逐渐增大，流量系数也呈递增趋势（见表2）。

表2 溢流表孔设计水位时弧形闸门开度-流量关系

3.2 溢流表孔水流流态

在设计水位1 282 m，表孔在不同开度e=0.8、1.6、2.4、3.2、3.8 m运行时，在门槽附近有漩涡产生，但都不太稳定，呈时有时无状态，对泄水建筑物的危害不大；随着开度的增大，门槽附近的漩涡基本消失。总体看来，表孔闸门局开时的泄流流态良好。

3.3 溢流表孔沿程压力分布

溢流表孔沿线布置了15个压强测点。本次试验对不同库水位下，溢流表孔沿程进行了压强观测（见表3）。从表3可以看出：溢流表孔沿程测点的压强值均为正压，仅在出口挑坎处出现负压，但负压绝对值不大。计算出设计水位1 282 m和校核水位1 282.64 m时最小空化数均为0.30，对于较小的空化数，应当严格控制施工的平整度，以避免发生空蚀破坏。

表3 不同库水位时溢流表孔沿程压强值 m

3.4 溢流表孔消能效果及冲坑深度

在设计洪水和校核洪水的工况下，溢流表孔单独泄洪的冲坑最低点高程分别为：1 223.24、1 222.48 m，冲坑深度分别为：6.76、7.52 m（下游河床面均按1 230 m计算），冲坑最深点距表孔出口距离分别为：59.2、56.8 m。

设计水位时，表孔出挑水舌外挑距为59.04 m，冲坑最深点距表孔出口59.2 m、高程为1 223.24 m，最大冲坑深度6.76 m（下游河床面按1 230 m计算）；校核水位时，冲坑最深点距表孔出口56.8 m、高程为1 222.48 m，最大冲坑深度7.52 m（下游河床面按1 230 m计算）。

3.5 溢流表孔雾化范围

溢流表孔挑流的雾化影响范围分为两大区：强暴雨区和雾流扩散区；强暴雨区又可分为两个子区：雾流降雨区和雾化区。

库水位1 282 m时：溢流表孔闸门全开时的坎上流速v0约为22.92 m/s，挑角θ=20 ，内外挑距分别为43.56 m和56.4 m。溢流表孔雾化影响范围最大纵向范围为185.56 m，横向范围为166.28 m。

库水位1 282.64 m时：溢流表孔闸门全开时的坎上流速v0约为23.57 m/s，挑角θ=20 ，内外挑距分别为46.8 m和60 m。溢流表孔雾化影响范围最大纵向范围为185.56 m，横向范围为166.28 m。

溢流表孔雾化影响范围详见表4。

表4 溢流表孔雾化影响范围 m

4 结论

水工模型试验表明表孔溢流堰的堰面曲线、斜坡、反弧各段的体型设计合理，各部位的水深、流速、压力分布合理，仅出口挑坎处出现负压，但负压的绝对值较小，施工过程中严格控制平整度，可避免空蚀破坏。挑流消能效果较好，最大冲坑深度7.52 m，距调流鼻坎距离56.8 m，对挑流鼻坎稳定没有影响。溢流表孔最大雾化影响范围，纵向影响范围196.94 m，横向影响范围174.08 m。以上试验成果已被设计采用。

[1]水利部长江水利委员会长江科学院.泄水工程于高速水流情报网第三届全网大会论文集[C].武汉：长江科学院出版社.1990.

[2]大连理工大学建工学部水利学院.某枢纽混合坝整体模型试验报告[R].大连：大连理工大学建工学部水利学院.2015.

Hydraulic characteristics model test of surface spillways for a project

CHENG Bin
(Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Xinjiang,Urumqi 830000,China)

In order to examine the design of surface spillways for a project in Xinjiang,hydraulic model test was conducted to check the weir surface curve,slope,reverse arch section of spillways.The results of test demonstrate that the discharge capacity is slightly less than the design value;minor negative pressure only occurs at the outlet without cavitation damage;ski-jump energy dissipater renders good effects with the scouring pit far from the deflector bucket.The results of test was adopted by design.

Hydraulic model;test;surface spillway;hydraulic characteristics

TV131.61

B

1003-1510（2016）06-0023-03

2016-10-08

成 斌（1983-），男，新疆乌苏人，新疆水利水电勘测设计研究院工程师，学士，从事水利水电工程结构设计工作。

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