竖井溢洪洞进口段水工模型试验研究

梁　迟

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)



竖井溢洪洞进口段水工模型试验研究

梁迟

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

摘要：通过建立水工物理模型，合理的确定堰顶高程，在设计、校核水位下，有效的增加下泄流量2.2%和3.2%；调整环形掺气坎起坡点高程及坡度，水流流态稳定，水流掺气效果较好；增加挑流坎、掺气孔可有效的降低堰面负压值，使负压值满足规范设计要求。

关键词：水工模型；溢洪洞；掺气坎；挑流坎；流态稳定

0前言

竖井泄洪洞是与导流洞结合改建 成永久泄洪洞的一种消能工形式[1]。传统的竖井溢洪洞控制段易产生漩涡、影响泄流能力、产生结构震动[2]。在WES堰与竖井连接段连接处易产生负压，从而引起空蚀破坏[3]。根据模型试验初步拟定体型的模型试验结果显示：设计水位和校核水位时的实测泄流能力均小于设计要求；堰顶部位存在较大的负压区；因此，进口溢流坝段体型的合理性直接影响泄流能力、水流稳定性和结构的稳定性。本文通过优化堰顶高程、增加掺气坎等措施对竖井溢洪洞进口控制段物理模型进行研究优化，为今后相似工程设计提供参考。

1工程概况

吉音水利枢纽工程位于新疆和田地区于田县境内的克里雅河干流上，坝址位于克里雅河支流乌什开布隆达里亚河与克里雅河干流吾格也克河交汇口上游约830 m处，坝址以上控制流域面积6 375 km2，是克里雅河流域开发的控制性工程，是一项以灌溉、防洪为主，兼顾发电的综合性水利工程。

竖井溢洪洞由引渠段、进口溢流控制段、竖井段、水平旋流段、平洞段组成。竖井溢洪道设计水位2 059.13 m，下泄流量493 m3/s,校核水位2510.773，下泄流量650 m3/s。控制段采用WES实用堰，堰顶高程2500.5m，WES堰的控制曲线方程为y=0.0827x1.85,曲线末端与半径为12.5 m的圆弧曲线相接；控制段总长20.655 m。

2模型设计与制作优化

表孔溢洪洞常压水工模型按照重力相似准则设计，模型几何比尺为1∶30，为便于观察流态，模型进口溢流控制段采用透明有机玻璃精细加工制作。有机玻璃糙率系数nM为0.008，根据曼宁公式按照模型比尺换算得到原型糙率nP为0.0141，与混凝土表面糙率0.014接近，基本满足糙率相似条件。模型设计中相关物理量的比尺见表1。

表1　模型的主要尺寸关系表

3进口堰顶高程优化

表孔泄洪洞在不同水位时的流量系数随着水位升高而增大。按照设计要求，设计水位的下泄流量为493 m3/s，根据模型实测流量与设计水位下泄流量进行了比较。由表2可知，在设计水位及校核水位的实测泄量比设计要求的下泄流量分别小4.7%和3.9%，泄流能力不能满足设计要求，因此需对堰顶高程做相应调整。溢流堰顶高程降低0.5m，溢流堰顶高程降低后，溢洪洞在设计水位及校核水位两个工况下的过流能力分别达到504 m3/s和671 m3/s，下泄能力较设计要求分别增大2.2%和3.2%，泄流能力能够满足设计要求并略有余量。

4进口掺气坎体型优化

在溢流坝面增设掺气坎，在坎后溢流坝面及渐变段之间形成稳定的掺气空腔。水流经1:3的环形掺气坎后主流折向上游侧边壁，并顺着上游侧边壁泄入起旋室。掺气环后靠上游侧空腔长度较小，同时在靠下游侧边壁形成较大的掺气空腔。竖井内主水流及掺气空腔形态均较稳定，但竖井内水流严重不对称。

为改善竖井内水流流态，经试验研究：通过调整溢流堰末端调坎体型可有效改善竖井水流流态。根据图1和图2显示：环形掺气坎起坡点高程由2 474.169 m调整为2 472.069 m，坡度由1∶3修改为1∶5。模型调整后，在各泄洪条件下，进口段水面比较稳定，无明显波动，堰顶溢流控制段的水流呈自由堰流状态，水流顺畅。溢流堰末端挑坎至竖井连接段底部均能形成稳定的掺气空腔，水流向竖井内吸入大量气体。掺气环后主流比较顺畅，没有明显的折流作用，竖井内水流较模型修改前有明显改善，且在不同工况泄流下，掺气环下均能形成稳定的空腔。经比较表明：调整溢流堰末端调坎体型，水流流态稳定，水流掺气效果较好，是溢流坝及竖井段的理想体型。

表2　进口优化前后下泄流量对比表

表3　进口堰面优化前后压强分布对比表

5进口堰面体型优化

在堰面布设15个监测点，在设计水位和校核洪水位下，根据表3数据显示，优化前溢流堰面上存在较大的负压区，设计水位泄洪时实测最大负压为-36.2kPa，校核水位泄洪时的实测最大负压为-43.4kPa。为有效的降低负压区产生的气蚀破坏，在堰面设置掺气坎，如图3示：

图1　优化前掺气坎体型

图2　优化后掺气坎体型

设置掺气坎后，根据表3监测数据显示：溢流堰面负压明显减小，实测最大负压值有最大的-43.4 kPa减小为-8.9 kPa，满足《溢洪道设计规范》要求。

6结论

1)表孔泄洪洞堰顶高程2500.50m时，在设计水位及校核水位的实测泄量分别为527.6 m3/s和684.05 m3/s；模型实测流量大于设计要求的下泄流量，泄流能力满足设计要求，并有一定的超泄余量。

2)在竖井高程2474.169m处设置1：5的环形掺气坎，在各种泄洪条件下坎后均能形成稳定的掺气空腔，竖井内水流顺畅，较1:3的环形掺气坎，竖井内水流具有显著的对称性。

3)设置挑坎及掺气孔后，溢流堰面负压明显减小，满足《溢洪道设计规范》要求。

参考文献：

[1]董兴林，郭军，肖白云等.旋流喇叭形竖井泄洪洞水力学机理及应用[J].水利学报，2011.

[2]法尔维HT著.水工建筑物中的掺气水流[M].王显焕译.北京：水利电力出版社，1984 .

[3]董兴林，高季章，钟永江，等.超临界流旋涡竖井式溢洪道设计研究[J].水力发电，1996(1)：27-33 .

[4]吉音水利枢纽工程水工模型试验研究综合报告[R]中国水利水电科学研究院

Experiment and Research of Hydraulicmodel at Inlet Section of Spillway of Shaft

LIANG Chi

(Uygur Autonomous Regional Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation，Design and Research Institute Xinjiang，Urumqi 830000，China)

Abstract：By establishing the physical model for a hydraulic structure to conform reasonably the crest elevation，discharge was increased effectively by 2.2% and 3.2% under water design and check levels.The elevation and gradient of the initial sloping spot in circle air mixing bucket were adjusted to appear that the flow regime was stable，and the effect of water flow mixing was better.To increase the bucket and mixing air hole may reduce effectively the negative pressure value of weir surface for the negative value to meet the demands of specification design.

Key words：hydraulicmodel；spillway；air mixing bucket；trajectory bucket；fluid stability

文章编号：1007-7596(2016)04-0163-03

[收稿日期]2016-03-09

[作者简介]梁迟(1983-)，男，工程师，从事水利水电勘测设计工作。

中图分类号：TV651.1+3

文献标识码：B