溢洪道掺气设施和挑坎体型模型试验

夏鹏飞

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100）

溢洪道掺气设施和挑坎体型模型试验

夏鹏飞

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100）

对拟建的LZP水库溢洪道进行水工模型试验研究，结果表明原方案中掺气槽的设计位置不佳，致使水流无法进行充分调整、掺气保护长度不能被充分利用；原设计挑坎体型欠妥，由于溢洪道出口位置河道狭窄且溢洪道轴线与河道夹角过大，出射水舌对河道右岸有严重冲刷现象。针对以上工程问题，提出上移掺气槽与底板镂空异形挑坎两个方案，并分别进行优化试验，研究结果证明：底板镂空异形挑坎方案对出射水舌的纵向拉伸效果较好，避开了右岸边坡且水流流态也更趋稳定；调整后的掺气槽布置位置合适，空腔形成良好，能够充分发挥功效。

模型试验；掺气坎；挑坎

1 工程概况及研究内容

水库正常库容1891万m3，水库坝型初定为混凝土面板堆石坝，坝址以上控制流域面积100.8 km2，枢纽建筑物主要由拦河大坝、溢洪道、放空导流隧洞，取水塔，电站压力引水隧洞及坝后电站等主要建筑物组成，是一座集城乡供水、农业灌溉等综合利用功能于一体的中型骨干水利工程。水库拦河大坝，坝顶长182.2 m，最大坝高77.70 m，坝顶宽度8.00 m；溢洪道布置在大坝左岸坝肩，采用驼峰堰，为开敞式有闸控制正堰溢洪道，由进口引渠段、控制堰段、渐变调整短、泄槽段、挑流鼻坎段组成。控制堰段起始底宽26 m，渐变调整段末宽16 m，渐变段长79 m，后接矩形槽，泄槽段轴线全长176.70 m，底坡i=0.303，在泄槽段桩号为溢0+257.90处布置有掺气槽，侧槽末端接挑流鼻坎，侧槽轴线与坝轴线呈67.45°夹角。对应的水库设计洪水位为428.35 m（P=2%），校核洪水位为430.31 m（P=0.1%），最大下泄流量为864.00 m3/s。

本文研究内容包括：泄槽段体型优化研究，观测运行工况下，溢洪道泄槽段的水流流态，测量各工况溢洪道的沿程水深变化情况，底板的压力，流速分布、水位波动；优化溢洪道泄槽段的流道体型，保证水流平顺。掺气减蚀研究，复核设计提出的掺气设施设计（掺气槽、通气孔等）；通过模型试验拟定合理的掺气设施的位置、结构形式及尺寸。挑坎研究，测量在各工况下泄水建筑物挑流鼻坎末端水舌的挑射距离、入水角、入水宽度并对挑坎的体型进行优化。

2 模型设计及制作

模型按重力相似准则设计，模型比尺1∶50，为正态模型。各物理量的相似关系如下：长度比尺：λL=50，流速比尺：λV=λL0.5=7.07，流量比尺：λQ=λL2.5=17677.67，时间比尺：λr=λL0.5=7.07，糙率比尺：λn=λL1/6=1.92。模型采用有机玻璃制作，以便观察水流流态。为了更好地了解溢洪道沿程压力分布情况，在其上布置了大量测压管，并采用钢尺测量两者沿程压力及溢洪道堰面,泄槽段等处水深。制作完成后，进行了全面系统的检查，模型中地形的高程误差控制在±3 mm以内，平面误差控制在±5 mm以内。建筑物的高程误差控制在±0.5 mm以内，保证模型和原型的几何相似性，确保试验的精度。

3 试验结果及分析

3.1 泄流能力

本次试验分别实测了各种库水位下侧槽溢洪道全开时的泄流能力。侧槽溢洪道采用驼峰堰，堰宽度为26.00 m，溢流净宽21.00 m,堰顶高程422.00 m。

表孔下泄流量按堰流公式计算，公式为：

式中：m为综合流量系数；n为闸孔数，n=3；b为闸孔宽度，b=7 m；H为溢流坝堰顶（422.00 m）以上的水头。

取试验实测数据，以库水位为横坐标，流量系数与流量为纵坐标，点绘成图，并进行公式拟合。如图1和图2所示：原设计的校核工况下泄流量为864.00 m3/s。试验结果为在校核水位时的流量为959.30 m3/s，比设计值大95.30 m3/s(11.02%)，所以泄流能力满足设计要求，并且还有一定的超泄能力。

3.2 水面线与压强

本试验对溢洪道的设计体型，进行了两种工况的初步试验，即校核工况、设计工况。去除位于坎、槽下方的测点（由于掺气槽和挑流鼻坎的影响而引起了局部水面线的增加），结合图3可看出沿程水深逐渐降低，为降水曲线，这是流量一定，流速沿程增加所造成的必然结果。溢洪道沿程的压强分布如图4所示，在堰面曲线段布置了7个测压点。考虑到溢洪道底坡不变时，沿程压力几乎相等，故溢洪道泄槽直线段压力测点相对较少，以斜距10.5 m为间隔。测点17、18因为位于空腔范围内，所以没有压强读数。测点6、测点7、测点17及18处均出现负压，最大负压出现在设计工况下的测点6（桩号：溢0+135.20），压力值约为-2.35×9.8 kPa，根据水深测量结果，此处设计工况下的水深约为3.70 m，水流速度约为7.91 m/s，根据压力和流速可算得此时的水流空化数约为4.221，远远大于工程要求的0.3，因此此处轻微的负压不会造成空化破坏。

图1 水位与流量系数关系曲线

图3 校核工况溢洪道水面线

图4 校核工况溢洪道压强

3.3 空腔特性

空腔特性是影响掺气效果的重要因素之一，空腔长度影响着掺气量及掺气设施的有效保护范围[1]，空腔长度越长，掺气越充分，减蚀效果越好，因此空腔的长短是衡量各种方案优劣的重要指标。设计体型中掺气槽的布置位置过于向下，使水流没有经过充分调整就进入出口挑坎，流态较差，掺气槽所提供的掺气保护长度没有充分利用，故模型试验中采取原设计的掺气槽尺寸不变，将其向上移动30 m，即在桩号为溢0+227.9处。通过试验发现：调整后的掺气槽布置位置比较适合，空腔形成良好，设计水位时空腔长度达到23 m、空腔高度为1 m且空腔内无明显积水，能够充分发挥功效，水流流态比较理想，实测数据如表1所示。

表1 实测空腔特性

3.4 挑流特性及入水宽度

溢洪道是水利水电工程主要的泄水建筑物之一，与其联合应用的挑流消能工也多种多样，如连续挑坎、斜切挑坎、窄缝挑坎等[2]。本工程原设计溢洪道末端挑坎体型欠佳，由于下游河道较窄，水舌的扩散程度受到了一定的限制，在设计工况和校核工况下，自该挑坎出射的水舌直接冲刷右岸边坡，枢纽的消能防冲成为该工程关键性控制技术难题，需进一步优化。设计挑坎两种工况下挑射水舌入水宽度均在30 m左右，如表2所示，对右岸边坡有严重的冲刷情况。为了避免溢洪道水舌冲刷下游河道右岸，使水舌尽可能沿河道纵向充分拉伸且落入下游河道中心，从而有利于消能和保护岸坡稳定，经过试验优化采用了燕尾型挑坎。

表2 反弧挑坎实测挑流特性

表3 燕尾挑坎实测挑流特性

针对原设计体型的仍然有冲刷边坡的现象，故在优化设计中对挑坎体型进行优化，将挑坎更改为燕尾型挑坎，该挑坎是在反弧底板上有规律的镂空后形成的一种新式挑坎，以其自身的体型特征在侧墙不收缩也不扩宽的条件下，亦能够形成典型的窄缝水舌，大大缓解了挑坎侧墙所承受的压力[3]，鉴于该工程的情况，将右燕尾的末端宽度加大至6 m，左燕尾的末端宽度设置为5 m。使得经挑坎右边墙出射的水流尽可能向左岸方向挑射以便保护右岸岸坡，通过本次试验发现，原体型校核与设计工况下出现的挑射水流冲刷岸坡的现象在优化体型中得到了明显好转，挑射水流流态也更趋稳定。水舌入水宽度仅为13 m左右，较之原设计反弧型挑坎入水宽度减少近50%，实测挑流特性见表3。从燕尾挑坎末端位置挑射出的水流，在燕尾型挑坎的约束条件下，水舌由于抛射点不等但却连续分布使得水舌在空中相互拉伸形成一层连续较薄的帘状水面扑入下游河道，扩大了入水宽度，一定程度降低了对下游河床的冲击，有利于下游流态的稳定。

图5 反弧挑坎设计尺寸及运行流态

图6 燕尾型挑坎设计尺寸及运行流态

4 结论

溢洪道的设计尺寸满足要求，进水口段水面平缓，溢洪道段身流态良好，泄流能力满足设计要求，验证了驼峰堰可提高流量系数，进而提高闸的泄流能力。

优化了原掺气槽设计位置，调整后的掺气槽尺寸合适，空腔形成良好，能够充分发挥功效，水流流态比较理想。

优化后的底部镂空异形挑坎，以其自身的体型特征在侧墙不收缩也不扩宽的条件下，亦能够形成典型的窄缝水舌，出射水舌纵向充分拉伸并向左岸方向挑射，入水宽度明显收窄，顺利避开右岸且挑射水流流态更趋稳定。

[1]杨永森.跌坎型掺气槽过流的掺气特性[J].水利学报，1994年第2期：65-70.

[2]张毅驰，彭勇.窄河道大交角泄洪洞出口体型优化试验研究[J].吉林水利，2008.4.

[3]夏鹏飞.燕尾挑坎溢洪道三维数值模拟研究[J].中国农村水利水电，2015年第6期：124-128.

Spillway aeration facilities and bucket body model test

Xia Pengfei
（YanglingVocational and Technical College Yangling712100,Shaanxi）

For the proposed LZP reservoir spillway hydraulic model tests,the results show the design position of the aeration tank in the original scheme is not good,resulting in water flowing not be fully adjusted,gas protection length not be fully utilized.The original design bucket type is defective,because of the river at the spillway outlet position is narrow and the angle between the axis of the spillway and the river is big.A jet is of serious scouring phenomenon on the right side of the river channel.In viewof the above engineering problems,the paper puts forward the two schemes of uplifting the aerated tank and the bottom platehollow-shaped ridge,and the optimization experiments are carried out respectively.The results show that the bottom plate scheme is better for the longitudinal tensile effect of the water jet and avoids the right bank slope and the water flowing state is more stable.After adjusting,the position of the air chamber is suitable,the cavity is formed well,and can be put intofullplay.

the model test,the aerator and flip bucket

TV651.1

B

1673-9000（2017）04-0103-03

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夏鹏飞（1987-），男，陕西兴平人，硕士，主要研究方向：水工水力学