高重力壩防沖建筑物體型參數對水力特性的影響

緱文娟,羅禮緯,李會平,潘俊豐

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室, 天津 300072)

1 研究背景

高重力壩工程多具有“高水頭、大泄量”的特點,選擇合適的泄洪消能建筑物關系到水電站的正常運行和下游河道的安全。底流消能和挑流消能是目前使用最為廣泛的消能方式,其消能機理和施工技術相對成熟,對該兩種消能方式的研究也取得了大量成果[1]。

挑流消能是通過挑流水舌在空中摻混氣體,然后水流沖擊進入水墊塘,當下游塘內水墊深度足夠大時,水墊對入射水流產生頂托作用,并利用水流在塘內產生極其強烈的紊動旋滾進行能量消殺的一種消能方式。眾多研究者研究成果表明,沖擊射流在水墊塘內的流態可視為深水墊淹沒沖擊射流和淹沒水躍混合流態[2]。在底板附近,沖擊射流受到底板限制,流線向上、下游偏折,形成水平流,沖擊射流過渡為附壁射流,同時,受垂向流速梯度的影響,在附壁射流的上方形成不對稱分布的旋渦區,即淹沒水躍,水墊塘內水流在強烈的紊動剪切和擴散作用下,不斷發生能量傳遞、再分配和耗散,主流流速沿程逐漸衰減[3-6]。Albertson等[7]最早研究水墊塘內的水流特性,提出射流在水墊塘擴散區域內速度的縱向分量在每個斷面上符合正態分布規律;李乃穩等[8]通過水工模型試驗,揭示了淹沒射流區射流斷面的流速分布具有典型的自由射流特征。淹沒沖擊射流作用于水墊塘底板的動水壓力會影響底板安全,因而國內外學者對水墊塘底板壓強分布的研究成果較多[9-11]。Duarte等[12]認為平底水墊塘內沖擊壓力符合高斯分布;張春財等[13]研究表明高壩反拱水墊塘流場內淹沒沖擊射流作用在底板上的動水壓強沿程具有相似的分布特征,其動水壓強沿程規律表現為標準正態對稱分布。

底流消能是通過水躍產生表面旋滾和強烈紊動進行水流能量消殺的一種消能方式。眾多學者對底流消能主要研究了消力池水躍區動水壓強特性及臨底流速變化規律。楊敏等[14]基于跌坎消力池模型試驗,在不同來流條件下得出消力池脈動壓強系數沿程先增大后減小的結論;張紅梅等[15]對比了突擴式和非突擴跌坎消力池的脈動壓強特性,結果表明突擴式和非突擴跌坎消力池底板脈動壓強最大值均出現在池首位置,且底板脈動壓強沿程減小;盧洋亮等[16]采用大渦模擬對跌坎突擴型消力池底板脈動壓強分布進行了模擬,結果表明底板脈動壓強均方根最大值位于消力池前部與泄槽邊墻延長線附近區域,池內底流旋滾區和附壁射流區的脈動壓強分布分別受渦體和流速脈動的影響;李會平[17]、洪振國等[18]通過水工模型試驗,研究了消力池底板高程、跌坎等體型對消力池內臨底流速沿程分布和流態的影響,結果表明,跌坎型消力池底板高程降低,則池內臨底流速大幅度降低,水流擴散充分,消能效果良好。

目前,挑流消能和底流消能的消能機理已經得到廣泛的研究,并提出了相應的控制指標保證消能防沖建筑物的安全運行。但是在前人的研究成果中鮮有涉及挑流消能和底流消能的聯合使用。本文利用幾何比尺為1∶60的水工模型,基于水工模型試驗研究方法,針對挑流消能對應的一級水墊塘和二級消力池聯合使用的防沖建筑物,研究不同水墊塘長度、二級消力池長度和二道壩高度分別對水墊塘內和消力池內水流的影響,分析其水力特性,討論一級水墊塘體型參數對二級消力池水流流態的影響,為工程設計優化提供參考。

2 模型布置及試驗方法

2.1 模型布置

本文依托某消能防沖建筑物水工模型開展試驗研究。水工模型依據重力相似準則設計,幾何比尺λl=1∶60。消能防沖建筑物包括2個中孔、3個底孔及其對應的水墊塘、二道壩和二級消力池。中孔和底孔均采用連續式挑流鼻坎,挑坎反弧半徑為50 m,出口寬度為14 m,挑角為30°。試驗模型布置如圖1所示。

圖1 水工試驗模型布置

試驗研究測試方法依據規范《水工與河工模型試驗常用儀器校驗方法》(SL 233—2016),其中時均壓強采用測壓管測量;脈動壓強采用 YPS300 微型數字壓力傳感器測量,采樣信號頻率為200 Hz,采樣時長為180 s;臨底流速采用便捷式旋漿流速儀測量。

2.2 研究體型方案

基于挑流水舌的挑距,本研究選擇了5種水墊塘長度和3種二道壩高度,基于水躍長度選擇了3種二級消力池長度,共計14種研究方案,如表1所示。其中二級消力池尾坎高度均為5 m。試驗采用上游水頭Hu=199.52 m,流量Q=6 077 m3/s,下游水深Hd=12.88 m。定義長度無量綱參數ki為:

表1 試驗研究體型方案表 m

ki=xi/Li(i=1,2,3)

(1)

式中:k1為水墊塘參數;x1為水墊塘起點至測點的距離;L1為水墊塘長度;k2為二級消力池參數;x2為測點至二道壩上游面壩踵處的距離;L2為二級消力池池長,取二道壩上游面壩踵處至尾坎斜坡坡腳處的距離;k3為水墊塘、二道壩和二級消力池總長度無量綱參數;x3為水墊塘起點至測點的距離;L3為水墊塘起點至尾坎斜坡坡腳處的長度。上述長度、距離的單位均為m。

3 結果與分析

3.1 水墊塘長度對水墊塘水力特性的影響

水墊塘長度影響塘內水流的流態,關系到沖擊水舌引起的旋渦擴散效果,因此研究水墊塘長度對塘內水流水力特性的影響十分重要。圖2為各水墊塘長度下水墊塘底板不同測線的動水壓強沿程分布。圖2表明,在相同上游水頭不同水墊塘長度時,時均壓強和脈動壓強均方根的沿程變化趨勢相似,這是由挑流鼻坎的體型相同,水舌入水角度和流速不變所導致[19]。水舌沖擊區上游的時均壓強沿程基本不變,說明水墊塘內水深較深,沖擊水流對沖擊區上游水體的影響有限[20]。3條測線上的脈動壓強均方根分布規律存在差異,且左底孔測線的峰值最大,這是由于該測線緊鄰水墊塘邊墻,受邊墻的限制作用,導致該區域旋渦側向擴散不充分[21],使得脈動壓強均方根峰值最大。

圖2 不同水墊塘長度下水墊塘底板不同測線的時均壓強和脈動壓強沿程分布

表2為不同水墊塘長度下中底孔測線的底板壓強差,表2中水墊塘底板壓強差Δp定義為:

表2 不同水墊塘長度下中底孔測線的底板壓強差

Δp=p1-p2

(2)

式中:p1為沖擊區上游底板的時均壓強均值,m;p2為底板時均壓強谷值,m。

由表2可以看出,隨著水墊塘長度的減小,水墊塘底板時均壓強的谷值點和脈動壓強均方根的峰值點相對位置占水墊塘總長度的比值增大,但絕對位置不變。隨著水墊塘長度的減小,底板時均壓強谷值略有降低,脈動壓強均方根的峰值略有增大,塘內底板壓強差增大。

挑流水舌斜射入深水水墊塘的基本流態如圖3所示。圖3顯示,在水舌入水區域上、下游分別形成旋渦區和附壁射流區[21];由于二道壩的阻擋,在二道壩前形成底部旋渦區。挑流水舌射入水墊塘內,水墊塘長度縮短而導致沖擊區高速水流向下游擴散時,二道壩對水流擴散產生的阻擋作用增強,并在二道壩壩前產生反向旋渦,致使水流擴散空間減小,能量更為集中,沖擊區紊動加劇[22]。

圖3 挑流水舌射入水墊塘的水流流態示意圖

3.2 二級消力池池長對消力池水力特性的影響

為了避免攜帶較大動能的水流從二道壩溢出造成二道壩壩后以及下游河床和兩岸邊坡的沖刷破壞,在二道壩壩后設置二級消力池。圖4為不同二級消力池池長下消力池底板動水壓強和臨底流速沿程分布(二道壩高度H1=20 m)。圖4表明,在相同二道壩高度下,3種長度二級消力池底板中軸線動水壓強分布規律類似。如圖3所示,水流下泄時,二道壩壩后溢流面上主流流線幾乎平行,隨后在游池內水體的影響下,水體相互剪切,主流流線彎曲,形成水躍,可觀測到明顯的水流表面旋滾。消力池長度不同時,水躍區底板的時均壓強、脈動壓強均方根和臨底流速均呈現典型水躍特征[23]。

圖4 不同二級消力池池長下消力池底板動水壓強和臨底流速沿程分布(H1=20 m)

由圖4還可看出,隨著二級消力池池長的減小,躍首和收縮斷面的位置幾乎沒有發生改變[22],脈動壓強均方根的峰值略微增大,其峰值點位置相對消力池池長的比值增大,說明下游有足夠水深,水躍發生的位置基本相同,但水躍下游擴散空間減小,出池時攜帶的紊動能增大,導致出池流速增大,出池水深稍有降低。

3.3 二道壩高度對水墊塘和二級消力池水力特性的影響

二道壩高度的變化不但影響水墊塘內水深,也影響二級消力池的水力特性,而且水墊塘內水流的能量消殺效果直接影響二級消力池內的水流流態,故此研究二道壩高度是十分必要的。圖5為不同二道壩高度下水墊塘和二級消力池底板動水壓強以及二級消力池臨底流速沿程分布。由圖5可知,不同二道壩高度下,水墊塘和二級消力池內時均壓強、脈動壓強均方根、臨底流速的分布規律相似,說明二道壩高度變化不影響消能機理;隨著二道壩高度降低,水墊塘內水墊深度減小,底板的時均壓強明顯降低,導致沖擊射流的阻力減小[24],脈動壓強均方根明顯增大(最大增幅為9.05%),主流離開水墊塘時動能略有增加,但同時二道壩壩頂水面高程也隨之降低,故出塘水流的勢能明顯降低,二級消力池水躍的收縮斷面位置向上游移動,躍首區的臨底流速減小,時均壓強增大,脈動壓強均方根減小,但出池臨底流速增大。

圖5 不同二道壩高度下水墊塘和二級消力池底板動水壓強及臨底流速沿程分布

3.4 討 論

高重力壩防沖建筑物水墊塘、二道壩和二級消力池的體型參數影響塘內和池內水流的水力特性以及消能效果。如圖3所示,水墊塘內形成了較大的射流沖擊區,在水舌入射區域(沖擊區)的上、下游分別形成了大的旋滾(旋渦區),水流流線的彎曲導致了底板時均壓強存在明顯谷值,脈動壓強均方根存在明顯峰值,這與文獻[25]中的水墊塘內動水壓強表現規律一致。當水墊塘長度從300 m減小到260 m時,水墊塘消能率稍有增大,增幅為0.76%,這是由于塘內水流擴散空間減小,使沖擊區紊動加劇所致。

二級消力池的水流流態為低佛氏數水躍,呈現典型水躍特征。水躍旋滾區的水流形態主要受到大尺度橫向渦的控制[26],靠近躍前斷面位置的水深最小、臨底流速最大。水流的能量耗散主要是由于水流的強紊動剪切作用[27],當二級消力池從80 m縮短至60 m時,二級消力池消能率略有增大,增幅為1%,這是由于水躍下游擴散空間減小,這與文獻[27]中二級消力池消能率結果一致。

當二道壩高度從22 m降低至18 m時,水墊塘內消能率減小了1.4%,說明該沖擊射流為深水墊淹沒射流。二道壩高度的降低導致二道壩壩頂水流的勢能減小,二級消力池內水流紊動剪切耗散減小,故整體的消能率僅降低了0.24%。

4 結 論

本文采用模型幾何比尺為1∶60的水工模型試驗方法,研究了水墊塘長度、二級消力池池長及二道壩高度對水墊塘和二級消力池內水流水力特性的影響,探討了底板動水壓強和臨底流速的變化規律,主要研究結論如下:

(1)隨著水墊塘長度的減小,各測線下水墊塘底板時均壓強谷值降低,時均壓強差Δp增大且最大增幅為27.3%,水墊塘內底板脈動壓強均方根峰值也略有增大。這是由于高速水流斜射入水墊塘內后,沖擊區下游旋渦的擴散空間減小,導致沖擊區紊動程度增加,能量耗散略有增大。在水墊塘邊墻的阻擋作用下,塘內水流側向擴散空間減小,使得臨近邊墻的左底孔測線脈動壓強均方根峰值最大。

(2)隨著二級消力池池長的減小,水躍的水力特性基本不變,二級消力池消能率略有增大,但是由于池長縮短,水流擴散能力降低,出池的臨底流速增大,使得下游沖刷破壞風險增大。

(3)隨著二道壩高度的降低,底板時均壓強減小,脈動壓強均方根峰值增大且最大增幅為9.05%,塘內消能率略有降低。二道壩壩頂水面高程降低,出塘水流的勢能減小,二級消力池水躍的收縮斷面位置向上游移動,躍首區的臨底流速減小,時均壓強增大,脈動壓強均方根減小,總消能率減小,故出池臨底流速增大。