尾墩体型参数对表孔水力特性的影响研究

曹 娜

(阜新蒙古族自治县凌河保护区管理局，辽宁 阜新 123100)

随着科学技术的发展，我国高拱坝建设取得重大突破，同时高拱坝泄洪雾化问题日益突出[1]，对下游岸坡和坝体的稳定性和安全性造成严重威胁，合理选择建筑物体型，保证消能防冲满足工程要求变得尤为重要[2]。宽尾墩作为一种新型的消能工具，通过边壁收缩来提高消能率，李福田等[3]对不同体型的表孔尾墩进行了试验研究，表明尾墩体型能够实现表中孔水舌空中无碰撞的消能效果，减轻了泄流雾化的影响。吕阳泉等[4]对表孔宽尾墩流道内的水流特性进行了研究，并尾墩体型布置进行了优化试验分析。崔广涛等[5]对不同堰上水头条件下表孔闸室的泄流能力进行研究，得出泄流能力与收缩比的定量关系。本文以白石水库为例，设计了17种表孔宽尾墩体型方案，对水垫塘底板的冲击压强、水舌扩散特性以及表孔泄流能力等水力特性进行研究，分析了尾墩体型参数对表孔水力特性的影响规律，该研究对表孔宽尾墩的实际应用有着重要的现实意义。

1 工程概况

白石水库以供水、灌溉、防洪为主，兼顾养殖、发电、观光旅游，地处锦州、阜新、朝阳三市中心地带。白石水库控制流域面积18350km2，总投资22.093亿元，总库容18.21亿m3，为辽河三角洲提供农业灌溉用水2.67亿m3。水库大坝为混凝土重力坝，坝顶长5l3.25m，坝高50.31m，泄洪排沙建筑物有4个中孔和3个表孔，中孔布置在表孔闸墩下部，每孔泄洪轴线处宽度为13.5m。坝下设消能水垫塘，净长410m，底板厚度4m，二道坝顶部高程为718m。电站引水流量68.2m3/s，引水发电系统布置在右岸，进水口高程725m，布置在坝上。引水洞布置在山体内，支管内径3.6m，相应流速4.39m/s，主洞内径4.8m，相应流速5.71m/s。发电厂房为地下式，安装三台单机容量50MW的水轮发电机组，厂房总长42.89m，高度35.82m，总宽18.23m。

2 模型试验概况

2.1 模型设计

白石水库枢纽下游河道狭窄，边坡坡角为73°，若采用水舌空中碰撞消能方式不利于两岸边坡岩体的稳定，并且泄洪工况下水流含沙量较高。因此，为保证水垫塘脉动压强、冲击压强等指标满足要求，以实现水舌空中无碰撞消能效果为试验研究目的，试验模型按照DL/T 5244- 2010《水电水利工程常规水工模型试验规程》执行，泄水建筑物模型材料采用有机玻璃制作，糙率为0.007，模型包括：回水系统、泄洪消能建筑物、上游水库以及供水系统等，采用正态模型几何比尺为Lr=50，物理量的比尺如下[6- 7]：

粗糙比尺：

(1)

压强比尺：

表2 表孔各方案体型参数[10]

(2)

流量比尺：

(3)

流速比尺：

(4)

式中，n—粗糙系数；P—压强，Pa；Q—流量，m3/s；v—流速，m/s；m—模型；p—原型；r—模型几何比尺。

2.2 试验方案

试验流量计算采用矩形量水堰测量，水垫塘时均压强采用测压管测量，流量计算公式如下[8]：

(5)

式中，B—堰宽，m；P—堰高，m；H—堰上水头，m；Q—流量，m3/s。

为测定不同水垫塘水深和上游水位情况下表孔宽尾墩的水力特性，对不同体型工况进行试验研究，具体见表1。

2.3 表孔体型参数

宽尾墩的体型参数直接影响下游消能效果及溢流堰的过流能力，直墙式宽尾墩可以通过收缩比ε、墩尾折角θ、始折点位置参数ξx，ξy等控制参

表1 试验工况表[9]

数进行表征。本文选取表孔坝面倾角α分别为25°、35°，收缩比ε分别为0.49、0.39、0.29、0.37，尾端折角分别为7.554°、11.187°、14.850°进行试验研究，具体方案参数见表2。

3 尾墩体型参数对表孔水力特性的影响

3.1 尾墩体型参数对泄流能力的影响

对各个试验方案泄流能力进行实验研究，在较低水位时宽尾墩对表孔泄流能力无影响，表孔闸室内流态为急流冲击波流态，当水位较高时，泄流量受到宽尾墩的影响，闸室内水流变为缓流。定义各方案流量关系曲线与连续坎水位流量关系曲线的交点为临界水位，该临界水位以下，表孔泄流能力不受宽尾墩的影响，临界水位以上，宽尾墩对表孔泄流能力影响逐渐增大。不同体型参数下，体型参数对临界水位的影响曲线如图1所示。

由图1可知，墩尾折角和收缩比一定，坝面俯角越小，临界水头越小；坝面俯角和墩尾折角一定，收缩比越小，临界水头越小；坝面俯角和收缩比一定时，墩尾折角越小，临界水头越小。主要由于临界水头与闸室水流流态有关，坝面俯角越小，出口水流流速越小，墩尾折角越小，始折点越靠近堰顶，收缩比越小，出口水深越大。闸室形成缓流，泄流量损失越大，堰顶被淹没，随着表孔边墙外伸，临界水位稍微增大。

表3 不同方案水舌空中形态及泄洪流态

图1 体型参数对临界水位的影响曲线

3.2 尾墩体型参数对泄洪流态的影响

在堰上水头较小时，水流保持为急流流态，在收缩段内边墙水深略大于中线水深，两侧边墙形成急流冲击波，出口水流较窄为急流流态，水舌呈片状水流形态；升高水位，出口水流逐渐转变为缓流，表层水体增厚增高，出现水跃现象，水舌横向宽度增大；继续升高上游水位，水跃现象消失，闸室水流均为缓流，水舌横向宽度较大，无法获得较好的纵向扩散效果。坝面俯角和收缩比对闸室流态影响较大，水位较低时17种方案中闸室内均为急流冲击波流态。高水位下其规律较为复杂，收缩比为0.29、坝面俯角35°时，折角7.554°下闸室内形成缓流流态，折角11.187°、14.850°下闸室内形成水跃壅水流态；收缩比为0.39、坝面俯角为25°时，折角7.554°下闸室内形成缓流；折角11.187°、14.850°下室内形成水跃壅水流态；俯角为35°时，折角7.554°、11.187°以及14.850°下均为急流冲击波流态；收缩比为0.49时，闸室内水流均为急流冲击波流态。不同方案水舌空中形态及泄洪流态见表3。

可以看出，墩尾折角对水舌空中形态影响较大，墩尾角7.554°方案条件下，水舌空中形态稳定，闸室两侧边墙冲击波交汇无水翅产生；墩尾折角11.187°方案条件下，出口水舌上缘间歇性出现水翅；墩尾折角14.850°方案条件下，水舌空中形态很不稳定，水舌上缘产生很明显的水翅，收缩段内水流表面出现棱形波。与边墙不外伸相比，水舌空中形态更为稳定，水流表面的冲击波得到减免，表孔边墙外伸后出口收缩段内水流流态得到改善。

3.3 尾墩体型参数对水舌纵向扩散的影响

随着上游水位的增加，水舌纵向扩散长度有所增加，坝面俯角和收缩比保持不变，墩尾折角越大，水舌纵向长度越长；同一收缩比和墩尾折角工况条件下，坝面俯角越大，水舌纵向扩散长度越大。相同墩尾折角工况下，坝面俯角为35°时，收缩比由0.49减小为0.29，水舌纵向扩散长度先增大后减小；坝面俯角为25°时，收缩比由0.49变为0.39，水舌扩散长度有所减小；边墙外伸对水舌纵向长度的影响曲线，如图2所示，可以看出表孔边墙外伸对水舌纵向扩散长度有较大影响，α=25°，ε=0.39，θ=7.554°时，水舌纵向扩散长度最大增加幅度为9.31m，表孔倾角α=35°，ε=0.375，θ=7.554°，纵向扩散长度最大增加幅度为19.25m。

图2 边墙外伸对水舌纵向长度的影响曲线

3.4 尾墩体型参数对冲击压强的影响

水垫塘底板冲击压强与水舌形态密切相关，低水位工况与高水位工况水舌形态不同，横向扩散较小，随体型参数的变化冲击压强也有所不同；同一墩尾折角和坝面俯角，收缩比由0.49减小为0.39时，底板冲击压强减小；收缩比和墩尾折角一定，坝面俯角越大，垫塘底板冲击压强越小。表孔边墙外伸对冲击压强的影响曲线如图3所示，可以看出，不同流能比条件下，边墙外伸明显降低了最大冲击压强，流能比为0.013，0.017，0.021时，最大冲击压强降低幅度分别为：75.91%、47.36%、46.52%，表孔宽尾墩收缩比取为0.29～0.39时，既能控制冲击压强，同时使得水舌纵向充分扩散。

图3 表孔边墙外伸对冲击压强的影响曲线

4 结论

(1)在较低水位时宽尾墩对表孔泄流能力无影响，表孔闸室内为急流冲击波流态，当水位较高时，泄流量受到宽尾墩的影响较大，收缩比越大，墩尾折角越大，坝面俯角越大，临界水位值越高。

(2)随着堰上水头的变化，设置宽尾墩后，表孔闸室内出现缓流、水跃壅水、急流冲击波流态，收缩比、墩尾折角、坝面俯角越小，水位较高条件下水舌的纵向扩散长度越小，越易形成缓流流态，表孔边墙外伸使得水舌稳定性得到改善。

(3)随着上游水位的增加，水舌纵向扩散长度有所增加，坝面俯角和收缩比保持不变，墩尾折角越大，水舌纵向长度越长；同一收缩比和墩尾折角工况条件下，坝面俯角越大，水舌纵向扩散长度越大。相同墩尾折角工况下，坝面俯角为35°时，收缩比由0.49减小为0.29，水舌纵向扩散长度先增大后减小；坝面俯角为25°时，收缩比由0.49变为0.39，水舌扩散长度有所减小；表孔边墙外伸后，舌纵向扩散长度增幅为19.25m。

(4)同一墩尾折角和坝面俯角，收缩比由0.49减小为0.39时，底板冲击压强减小；收缩比和墩尾折角一定，坝面俯角越大，水垫塘底板冲击压强越小；表孔边墙外伸后冲击压强最大降幅达到75.91%。

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