宣城市水阳江海棠湾水利枢纽消能防冲试验研究

张玉程,董宸中

(1.山东外事职业大学,山东 威海 264500;2.上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司,合肥 230061)

1 项目概况

宣城市水阳江海棠湾水利枢纽工程位于敬亭山脚下,海棠湾码头上游约0.9km处。海棠湾水利枢纽工程钢坝闸50a一遇设计过闸流量为4746m3/s,枢纽工程等别为Ⅱ等,规模为大(2)型水闸枢纽工程。

枢纽主要由蓄水坝、调节闸、升船机、鱼道组成,其中升船机位于水阳江左岸,蓄水坝位于右岸,调节闸位于升船机分流岛与蓄水坝之间,鱼道位于升船机分流岛中间。

钢坝闸共6孔,闸孔总净宽204m,自左岸至右岸,1#～4#孔(浅孔)单孔净宽43m,为国内目前单跨最大的钢坝闸。钢坝闸闸门为底轴驱动翻板钢闸门,通过直径1.8m底转轴和铰支座安装在底板上,采用集成式液压启闭机控制。固定坝顶高程4.0m,闸门高度6.0m;5#及6#孔(深孔)单孔净宽16m,固定坝顶高程1.0m,闸门高度为9.0m。钢坝闸典型断面图见图1、图2。

图1 1#～4#浅孔闸典型断面

图2 5#、6#深孔闸典型断面图

2 模型试验

2.1 试验任务及要求

通过模型消能防冲试验,观测钢坝闸、调节闸的上、下游流态、流速分布、水面线等水力特征参数;观测在蓄水期闸门不同开度条件下,泄流过程中的泄流能力、水流流态;对设计拟采用的消能措施提供试验依据,对闸门的运行管理提出合理化建议[1-3]。

2.2 模型设计

2.2.1 模型范围

本项目整体水工模型采用正态模型,模拟范围上游为钢坝闸以上约2500m,下游为钢坝闸以下约2400m。垂直水流方向模拟至两岸大堤。

2.2.2 比尺选定

根据试验任务及《水工(常规)模型试验规程》相关准则规定,模型必须保持几何相似、水流运动相似和动力相似。本试验主要作用力为重力,故模型采用正态模型,遵循重力相似准则,即模型与原型佛劳德数相等;同时满足阻力相似要求。模型几何比尺采用1∶80。

本次试验模型的主要比尺关系为长度比尺、佛劳德数比尺、流速比尺、流量比尺、糙率比尺,根据《水工(常规)模型试验规程》,经计算,整体模型比尺换算关系见表1。

表1 比尺换算表

2.2.3 整体模型制作

根据前述换算比尺,模型总长约32.0m,总宽约14.0m。

模型高度设计:

H=H0+H1+H2

(1)

式中:H为模型高度;H0为预留深度,46.25cm;H1为模型有效高度(模型最高高程-最低地形高程)/模型垂直比尺);H2为安全超高,取10cm。模型最大高程为16.5m,最低地形高程取-2.5m,模型比尺1∶80,则H1=(16.5+2.5)/80=23.75cm。

故,模型高度H=46.25+23.75+10=80.0cm。

因此模型边墙高度取80cm。

模型制作主要内容包括:模型地形制作、建筑物模型制作与安装、加糙、边墙、量水堰及前池砌筑、尾门及制作与安装、人行台阶砌筑及便桥等制作与安装、模型试水与修正等。

2.3 模型数据测量

2.3.1 测量手段

本试验流量测量采用矩形堰,流量计算采用规范推荐公式:

Q=(1.782+0.24H/P)BH01.5

(2)

式中:Q为流量,m3/s;H为堰上水头,m;H0为修正后水头(H0=H+0.0011m),m;P为堰高,m;B为堰宽,m。

经验算,各方案流量下量水堰堰上水头约为0.03～0.17m,满足推荐公式的适用范围(H=0.03～0.75m)。

水位测量采用SCM60型水位测针,其测量精度为0.10mm;流速测量采用小威龙Vectrino。同时,采用示踪粒子及摄像机对水流流向及水流流态进行观测。

2.3.2 测流断面及水位控制点的选择

本次模型试验以钢坝闸闸轴线为0+000,上游桩号用0-XXX表示,下游桩号用0+XXX表示。

根据有关文献和经验,上游水位测点应布置在闸上5～10倍闸上最大水头处,闸下水位测点一般布置在下游翼墙以下4～5倍消力池长处。本次模型试验选定0-200断面为上游水位控制测点,0+200断面为下游水位控制测点。

模型分别在0-200、0-400、0-600、0-1200、0-1800、0+200、0+400、0+600、0+1200、0+1800、0+2200(测流断面与河道中心线垂直)断面处布置流速测量断面,钢坝闸下游右侧滩地布置T0-100、T0+00、T0+100和T0+400断面测量沿程流速分布。

3 试验方案及成果

3.1 试验方案设计

根据设计要求,为减小预降水位对下游河道通航及冲刷影响,在接到预报需提前卧倒闸门预降水位,此时下泄流量按不超过坝址1a一遇设计洪水525m3/s进行控制。

因5#、6#为深孔闸,仅在上下游水位基本相等时才考虑开启,故消能防冲试验仅对1#～4#浅孔闸进行试验比较。1#～4#浅孔闸固定坝顶高程4.0m。方案一为闸门开启角度30°,此时对应的闸门顶高程为9.076m,方案二为闸门开启角度45°,此时对应的闸门顶高程为7.979m。当上下游水位差最大时,消能防冲工况最为恶劣。因此试验控制上游水位为10.00m,下游水位为5.30m。消能防冲试验各方案关键控制参数见表2。

表2 试验方案关键控制参数一览表

3.2 试验成果

1)方案一试验成果:根据前述试验方案设计,此方案下闸门开启角度30°,此时闸门顶高程为9.076m,上游水位为10.00m,下游水位为5.30m,实测下泄流量为55.52m3/s。按照试验设计,依次开启1#孔、2#孔、3#孔、4#孔,观测记录闸下流态,测量水舌落点水深、消力池后水深、消力池尾坎、防冲槽及0+200断面处最大流速等,方案一试验成果见表3。

表3 方案一试验成果表

分析试验数据总结得出:方案一设计条件下,单宽流量为1.29m3/s·m。水舌落点处水深为3.8m,水舌下游为淹没流,水面无明显水跃漩滚。至消力池后,1#孔和2#孔水深为6.3m,3#孔和4#孔水深为7.8m,因消力池水深较深,受左右侧回流区的影响,水流的横向扩散受到限制,各孔开启时,消力池内除回流外,无明显横向水流。开启3#孔和4#孔时消力池尾坎处流速较开启1#孔和2#孔时消力池尾坎处流速大,最大值为0.95m/s。各孔开启时防冲槽处的流速基本一致,最大流速为0.64m/s,防冲槽处发生冲刷的可能性较小。

2)方案二试验成果:根据前述试验方案设计,此方案下闸门开启角度45°,此时闸门顶高程为7.979m,上游水位为10.00m,下游水位为5.30m,实测下泄流量为278.75m3/s。按照试验设计,依次开启1#孔、2#孔、3#孔、4#孔,观测记录闸下流态,测量水舌落点水深、消力池后水深、消力池尾坎、防冲槽及0+200断面处最大流速等,方案二试验成果见表4。

表4 方案二试验成果表

分析试验数据总结得出:方案二设计条件下,单宽流量为6.48m3/s·m。水舌落点处水深为3.8m,水跃漩滚明显,消力池后仍有波状水跃。至消力池后,1#孔和2#孔水深为6.3m,3#孔和4#孔水深为7.8m。受左右侧回流区的影响,水流的横向扩散受到限制,各孔开启时,消力池内除回流外,无明显横向水流。消力池尾坎处最大流速为开启2#孔时,达2.59m/s;防冲槽处最大流速为开启4#孔时,达2.01m/s。

4 结论与建议

1)综合分析两方案的试验成果,水舌下游皆为淹没流,消力池采取构造设计即可。方案一各孔开启时防冲槽处的流速基本一致,最大流速为0.64m/s,防冲槽处发生冲刷的可能性较小。方案二各孔开启时,4#孔防冲槽底部流速最大,为2.01m/s; 3#孔防冲槽底部流速最小,为1.19m/s。防冲槽及下游河道的防冲刷设计建议以方案二4#孔处的试验成果进行复核。

2)开启4#孔时,水流顶冲右岸滩地,易造成冲刷,非特殊情况不建议首先开启。开启1#、2#和3#孔时下游流态相似,考虑到3#孔消力池底板更浅,且位于主槽,距左右岸均较远,建议闸门运行管理过程中第一轮先开启3#孔,开启角度≤30°,待下游流态平稳后再依次开启2#、1#和4#孔,开启角度≤30°。待下游流态平稳后再进行第二轮开启,逐渐增大开启角度。

3)综合海棠湾水利枢纽消能防冲试验研究成果,不仅解决了本工程的消能防冲问题,也可为同类的钢坝闸水利工程的消能防冲设计提供借鉴。此外,建议后期工程投入运行后,实地开展水位、流速、流态等相关水力测量工作,进一步分析实际消能效果等;同时,制定科学合理的闸门运行维护制度,确保工程安全稳定运行[7-9]。