泄洪闸溢流堰面流挑坎布置研究

黄智敏,陈卓英,朱红华,钟勇明

(广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室,广东 广州 510635)



泄洪闸溢流堰面流挑坎布置研究

黄智敏,陈卓英,朱红华,钟勇明

(广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室,广东 广州 510635)

低水头泄洪闸溢流堰挑坎出口挑角和坎高对其下游出流面流流态影响较大。在两个泄洪闸工程面流消能试验成果分析的基础上,对其溢流堰挑坎挑角和坎高对面流流态的影响进行了分析。研究表明,若挑坎坎高a较小时,可适当增大挑坎挑角θ值,以增大挑坎面流运行的泄洪流量和下游水深的范围；低水头泄洪闸面流消能的溢流堰挑坎挑角一般可采用10°～15°,当挑坎挑角增大至15°时,可较明显增大挑坎形成面流而不产生回复底流的下游水深的范围,扩大了面流运行的水深区间,有利于工程的安全运行。

泄洪闸；面流；挑坎挑角；坎高；试验研究

1 概述

面流消能是低水头泄水闸较为常用的一种消能方式,一般适用于河床复盖层较薄、基岩面较浅、下游水位较稳定的河道上。相对于低水头泄洪闸的底流消能方式而言,面流消能的理论计算方法尚不完善,其体型和水力参数只有少量的经验公式可供设计参考,因此,给工程设计和运行管理带来极大的不便。

在泄洪闸的泄流水力条件(如泄流量、闸址水位～流量关系条件等)确定的条件下,泄洪闸泄流的面流流态与其挑坎的体型尺寸密切相关。泄洪闸面流挑坎主要体型尺寸有：挑坎的反弧段曲率半径R、挑坎坎高a、出口断面挑角θ等(见图1)。

图1 面流挑坎尺寸示意

文献[1]指出,挑坎与其上游堰面连接的反弧半径R的影响较小。文献[1-2]指出,要使挑坎形成面流流态,挑坎的坎高必须大于最小坎高an值,并给出了最小坎高an值的计算公式。文献[3]通过试验研究指出,在泄洪闸泄流水力条件确定的条件下,增大挑坎的挑角θ比增加挑坎坎高a对泄洪闸下游面流流态影响更为明显,当泄洪闸挑坎挑角增大时,其下游从淹没面流过渡为淹没底流 (或潜流)的第三区界相对水深h3/hk(h3见式(3)；hk为相应单宽流量的临界水深)相应增大,从而扩大了面流运行区域,有利于泄洪闸的安全运行。

本文通过2个泄洪闸面流消能水力模型试验研究成果,分析挑坎挑角对其面流流态的影响,为相关工程设计和运行参考。

2 面流挑坎坎高和挑角的布置

通常,在泄洪闸溢流堰下游挑坎反弧段曲率半径R、挑坎坎高a确定的条件下,可选择合适的挑坎挑角θ,使挑坎出流形成稳定的面流流态,并尽量扩大面流运行的下游水深区域。现有关的面流挑坎坎高和挑角的研究成果为：

1) 文献[4]综合比较不同的坎高研究成果之后,提出了面流挑坎最小坎高an计算式(见式(1))：

(1)

式中h1为挑坎顶的急流收缩水深；hk为泄流的临界水深。

2) 文献[1]指出,挑坎的坎顶一般为水平,有时也可以做成较小的挑流仰角θ,例如取用θ≯25°。设置一定的仰角,有利于面流流态的形成,发生面流流态的下游水深范围一般随θ角同增大。

3) 广东省水利水电科学研究院早期研究成果表明[1],低溢流坝的挑角可取用θ=10°～15°。

4) 面流流态演变与挑角θ有关。0°<θ≤10°与θ=0°的界限水深值基本相同[2]。

由文献[1]等,面流各区界水深的计算公式见式(2)～(4)：

(2)

(3)

(4)

式中h1为发生自由面流流态的最小下游水深,即第一区界水深的上限值；h2为从自由面流或混合面流转变为淹没混合面流的最小下游水深,即第二区界水深的上限值；h3为第三区界水深,定义为保持淹没混合面流或淹没面流流态、而不形成潜流(或回复底流)的最大下游水深；a为跌坎高度；P为坝高,可取P=H+a-1.5hk,H为闸上游水位到跌坎坎顶的落差。

综合上述,泄洪闸溢流堰挑坎坎高a应在满足最小坎高an条件下,其挑角θ多采用0～15°。由于面流流态演变与挑坎挑角θ等有关,而挑角θ的变化也会引起坎高a的改变,目前有关面流挑坎体型的理论和经验计算公式尚不够完善,因此,对于较重要的泄洪闸工程,其挑坎体型仍需要通过水力模型试验论证后确定。

通常,采用面流消能的低水头泄洪闸在其闸上游为正常蓄水位Z、不同闸门开度e泄流运行时,泄洪闸出流呈面流流态或底流流态；当闸门全开运行时,闸上、下游水头差较小,闸下游出流多为波流流态。本文主要对闸上游为正常蓄水位Z、不同闸门开度e泄流运行的出流流态进行分析。

3 泄洪闸面流挑坎布置实例及分析

3.1 红桥水电站泄洪闸

3.1.1 设计初拟方案试验

该扩容改造工程泄洪闸共8孔,单孔净宽12 m,闸孔总净宽96 m；闸上游正常蓄水位为81.0 m。坝址处河床面高程约72.0～75.0 m,河床的弱风化基岩面高程约71.0～72.0 m。

设计初拟方案泄洪闸堰型为平底宽顶堰,堰顶高程74.0 m。泄洪闸泄流采用面流消能,坎高a=1.5 m(见图2)。试验表明[5],在闸上游正常蓄水位Z=81.0 m、各级闸门开度(e=0.25～2.0 m)泄流运行时,由于闸下游水深较小,出闸水流呈射流状汇入下游河道水流中,闸下游形成不稳定的底流,主流靠近闸下游河床的底部区域,水闸跌坎下游附近区域的河床底流速较大值达约5.4 m/s,对闸下游河床产生不同程度冲刷。

图2 平底堰方案剖面示意(单位：m)

在闸上游水位Z=81.0 m、闸门开度e>0.25 m泄流运行时,计算的闸下游相对水深ht/hk位于第一区界相对水深h1/hk(见式(2))之下[6],这表明设计初拟方案闸下游水深过小,水闸泄流在其下游无法形成面流流态,闸下游出流为底流衔接过渡。

3.1.2 修改方案试验

修改方案将设计初拟方案的闸室平底堰修改为曲线实用堰,在满足水闸泄流能力的前提下,堰顶高程由74.0 m抬高至75.0 m。实用堰堰顶上游段为椭圆曲线段,下游接圆弧曲线段后(半径R=13 m、圆心角β=15 °)、再接陡坡段(1∶3.73)和反弧挑坎段；溢流堰反弧段挑坎出口挑角θ=12°、出口高程降低为72.44 m。为了增大溢流堰挑坎下游河道水深和满足挑坎最小坎高的要求,将闸下游30 m范围内弱风化基岩的河床面开挖至71.0 m高程,其后与下游河床平顺连接(见图3)。

图3 红桥闸溢流堰修改方案剖面示意(单位:m)

试验表明[5]：①泄洪闸闸门开度e=0.25～1.5 m、单独运行或与电站机组联合运行时,出闸水流均呈面流流态；②当闸门开度e=2.0 m单独运行时,出闸水流仍呈面流流态；而闸门开度e=2.0 m与电站机组(2台机组,发电流量155 m3/s)联合运行时,闸下游出现回复底流流态,近闸下游区域底流速达约4 m/s,对闸下游河床仍会产生冲刷。

计算的各级闸门开度e的闸下游第三区界相对水深h3/hk、闸下游相对水深ht/hk见表1和图4,ht/hk位于第三区界相对水深h3/hk之下。在闸门开度e=2.0 m与电站机组联合运行时,其下游相对水深ht/hk大于泄洪闸单独运行(e=2.0 m)的下游相对水深值,相应增大了产生回复底流的可能性；同时,实际坎高(a=1.44 m)比计算的最小坎高(an=1.95 m,e=2.0 m)相应小约26.2%(见表2)。因此,修改方案的泄洪闸(e=2.0 m与电站机组联合运行)挑坎出流产生了回复底流。

图4 红桥闸修改方案溢流堰水力参数关系

表1 红桥泄洪闸修改和推荐方案溢流堰泄流水力参数

表2 泄洪闸溢流堰挑坎实际坎高a与计算最小坎高an计算

3.1.3 推荐方案试验

推荐方案将溢流堰挑坎出口挑角θ由12°增大至15°,挑坎出口高程为72.6 m,考虑到为了不增加下游河床弱风化基岩开挖的工程量,下游河床面开挖高程与修改方案相同(见图5)。溢流堰挑坎挑角θ增大3°之后,其坎高a=1.6 m,比计算的最小坎高(an=1.9 m)仍小约15.8%,其计算的第三区界相对水深h3/hk比修改方案相应增大约5.4%～8%(见表1～2)。

试验表明[5],在闸上游正常蓄水位Z=81.0 m、不同闸门开度e单独运行或与电站机组发电联合运行时,出闸水流主要为混合面流～淹没面流流态,跌坎下游附近区域底部形成反向漩滚 (漩滚长度约10～30 m),漩滚回流流速约1.1～2.3 m/s,增大了工程运行的安全性。泄洪闸推荐方案得到了工程设计和施工的采用。

图5 红桥闸溢流堰推荐方案剖面示意(单位:m)

3.2 莫湖水电站泄洪闸

3.2.1 设计初拟方案试验

莫湖水电站坝址处河床复盖层厚度约3～5 m,底层为强风化和弱风化基岩,地质条件较好,且坝址处河道水位较稳定。泄洪闸为7孔,每孔闸净宽为14 m,闸室泄流总净宽为98 m,溢流堰顶高程38.0 m；泄洪闸泄洪消能采用面流消能,在闸上游正常蓄水位Z=44.45 m运行条件下,其闸门开度e≤1.6 m(泄洪流量Q≤1 024 m3/s)。

设计初拟方案溢流堰的下游挑坎挑角为10°、出口断面高程34.38 m,坎高a=1.5 m(见图6)。水力模型试验表明[3]：

图6 莫湖溢流堰设计初拟方案剖面示意(单位:m)

1) 闸门开度e=0.4～1.2 m、泄洪闸单独运行或与电站机组发电(电站双机发电流量为282.62 m3/s)联合运行时,泄洪闸下游出流为自由面流～淹没面流流态；

2) 当闸门开度e=1.6 m泄流运行时(闸单独运行或与电站发电联合运行),泄洪闸出流形成回复底流,挑坎下游河床底流速较大值达约5 m/s,会对闸下游河床产生较严重的冲刷。

该方案溢流堰挑坎坎高比计算的最小坎高值(an=2.24 m)相应小约33%(见表2),由计算的泄洪闸泄流水力参数、闸下游第二和第三区界相对水深h2/hk和h3/hk、闸下游相对水深ht/hk等可见(见表3)：闸门开度e≥0.8 m、且与电站双机联合运行时,其下游相对水深ht/hk位于第三区界相对水深h3/hk之上,泄洪闸泄流有可能会产生回复底流,而水力模型试验显示在闸门开度e=1.6 m泄流的出流形成回复底流。

图7 莫湖溢流堰推荐方案剖面示意(单位:m)

表3 莫湖泄洪闸溢流堰设计初拟和推荐方案泄流水力参数

3.2.2 推荐方案试验

推荐方案将泄洪闸溢流堰下游挑角θ由10°增大至15°、出口断面高程为35.03 m,相应挑坎坎高a由1.5 m增加至1.65 m(见图7),坎高a增大约10%,计算的第三区界相对水深h3/hk增大约5.8%～7%(见表3)。

水力模型试验表明[3],在正常蓄水位Z=44.45 m、各级闸门开度e运行条件下(泄洪闸单独运行及与电站联合运行等),泄洪闸下游出流均形成稳定的面流流态。推荐方案的水力模型试验成果得到了工程设计和施工的采用。

3.3 试验成果分析

1) 面流流态演变与挑坎挑角θ和坎高a等有关,当泄洪闸溢流堰下游河床面较高(或下游河床开挖会造成工程投资明显增加)、挑坎坎高a达不到最小坎高an要求时,可适当增大挑坎的挑角θ值,以增大挑坎面流运行的泄洪流量和下游水深的范围。

2) 本文两个工程的挑坎挑角θ分别由12°和10°增大至15°之后,其挑坎坎高a相应增加约10%～11%,计算的第三区界相对水深h3/hk相应增大了约5%～8%,h3/hk增加相应较小,但泄洪闸在闸门较大开度e泄流或在下游河道水深ht较大泄流时,挑坎出流由回复底流转变为面流流态。这表明挑坎挑角增大至15°之后,可较明显增大了挑坎面流运行的下游水深的范围,有利于工程安全运行。

4 结语

1) 低水头泄洪闸溢流堰挑坎出口挑角θ和坎高a等对其下游出流面流流态影响较大,若受工程条件的限制、挑坎坎高a达不到最小坎高an要求时,可适当增大挑坎的挑角θ值,以增大挑坎面流运行的泄洪流量和下游水深的范围。泄洪闸溢流堰挑坎挑角θ一般可选用10°～15°,若将挑角θ增大至15°,可较明显增大挑坎形成面流而不产生回复底流的下游水深的范围,有利于工程的安全运行。

2) 低水头泄洪闸下游出口的面流流态较复杂,对于较重要的泄洪闸工程,建议通过水力模型试验优化泄洪闸下游出口挑坎体型,以使泄洪闸出流形成稳定的面流和确保工程安全运行。

[1] 华东水利学院.水工设计手册(第6卷 泄水与过坝建筑物)[M].北京：水利电力出版社,1982．

[2] 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室.水力计算手册(第二版)[M].北京：中国水利水电出版社,2006．

[3] 黄智敏,朱红华,陈卓英,等.莫湖水电站泄洪闸低溢流堰面流消能试验研究[J]. 广东水利电力职业技术学院学报,2005,3(3)：38-40.

[4] 王正臬.溢流坝面流式鼻坎衔接流态的水力计算[C]∥泄水建筑物消能防冲论文集，1980．

[5] 广东省水利水电科学研究院.红桥水电站增效扩容改造工程水工模型试验研究报告[R].广州：广东省水利水电科学研究院,2012．

[6] 黄智敏,陈卓英,钟勇明,等.红桥水电站扩容改造拦河闸面流消能研究[J].水利水电工程设计,2014,33(2)：47-49．

(本文责任编辑 马克俊)

Surface Current Bucket Layout of Release Sluice Overflow Weir

HUANG Zhimin，CHEN Zhuoying，ZHU Honghua，ZHONG Yongming

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics，Guangzhou 510635,China)

The outlet bucket angle and hight of low-head release sluice overflow weir have a great effect on the downstream surface current pattern. Based on the surface current energy dissipation test results of two release sluice，the influence of bucket angle and hight of overflow weir on the surface current pattern is analyzed. The studies have shown that if the bucket high is smaller, the bucket angle can be increased, which increase the range of release flood discharge and downstream water depth of bucket surface current operation. The bucket angle of the low overflow weir generally use 10°～ 15°, when the bucket angle is increased to 15°, the zone of the downstream water depth which forming surface current without return underflow is significantly increasing, and the water depth range of surface current operation is expanding and is good to the engineering running.

release sluice; surface current; bucket angle; water depth; experimental study

2016-03-08

黄智敏(1957)，男，硕士，教授级高级工程师，从事水力学及河流动力学研究。

TV135.2+2

A

1008-0112(2016)03-0010-05