適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道的製作方法

2023-10-05 12:58:04 2

本發明屬於水利水電工程洩水設施領域，特別涉及一種適用於高弗勞德數(即Fr≥4.70)下的轉彎溢洪道。

背景技術：

溢洪道作為一種洩水設施普遍存在於水利樞紐工程中，岸邊式溢洪道是較主要的布置形式。在工程實踐中，常因地質、地形、工程投資和樞紐整體布置等條件的限制，溢洪道在平面布置上不得不偏轉一個角度，布置成曲線型彎道的形式。溢洪道在面臨下洩流量較大且流速較高的水流時，弗勞德數Fr較高，當Fr≥4.70時，溢洪道內的水流經過彎道段會受到邊牆的偏轉影響產生衝擊波，在彎道和彎道下遊流道內形成折衝水流、菱形衝擊波等不利流態。如不採取工程措施，彎道段的衝擊水流可能撞衝出洩槽並淘刷兩側岸體，從而影響溢洪道的運行安全。因此，根據彎道急流衝擊波的水力特性研究彎道急流衝擊波的控制方法及相應的結構，對於新建和改、擴建彎曲溢洪道的安全運行至關重要。

現有彎道控制方法及在溢洪道中相應的結構設計主要包括：渠底超高法、複合曲線法、導向翼法等。這些方法在不同的實際工程中均發揮了自身特性，取得了調節流態的效果，但各自存在一些問題。渠底超高法是將溢洪道洩槽底板設置成具有一定橫向坡度的斜底板，從而對水流施加向心的側力，使水流自由轉向，但該方法適用的流量範圍較小，超過其橫向坡度對應的流量範圍後則無法得到平衡，且高流速條件下彎道後的銜接段易出現負壓，發生空蝕破壞的風險性較高，並且彎道段後仍會出現折衝水流，橫向斷面上流速分布不均且流速並未降低，給出口消能工布置帶來困難。複合曲線法適用的流量範圍也較小，且在高弗勞德數條件下難以運用。導向翼法通常運用於低弗勞德數和大轉彎半徑條件下，在高流速和高弗勞德數條件下，幹擾建築物結構本身，易發生空蝕破壞，難以成功運用。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道，以避免高弗勞德數下溢洪道的弧形轉彎段產生急流衝擊波，使水流在彎道及其下遊平穩洩流，保障溢洪道的安全運行。

本發明所述適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道，從上遊至下遊依次由進水段、控制段、洩槽、消能段銜接組成，所述洩槽從上遊至下遊依次為上遊直線段、上遊直線銜接段、弧形轉彎段、下遊直線銜接段和下遊直線段，所述上遊直線銜接段、弧形轉彎段和下遊直線銜接段的底板均為沿水流方向設置有多級階梯的底板；弧形轉彎段底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉彎段的圓心一側傾斜，且每級階梯傾斜的坡度相同；上遊直線銜接段底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉彎段的圓心一側傾斜，且階梯傾斜的坡度從上遊第一級階梯至下遊最後一級階梯均勻增大至與弧形轉彎段底板的階梯坡度相同；下遊直線銜接段底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉彎段的圓心一側傾斜，且階梯傾斜的坡度從上遊第一級階梯至下遊最後一級階梯均勻減小至與下遊直線段的平直底板銜接。

上述適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道，所述弧形轉彎段底板的階梯梯面的坡度為0.20～0.45，所述上遊直線銜接段底板的階梯梯面的坡度由0.04～0.10均勻增大至與弧形轉彎段底板的階梯梯面坡度相同，所述下遊直線銜接段底板的階梯梯面的坡度由弧形轉彎段底板的階梯梯面坡度均勻減小至0～0.10與下遊直線段的平直底板銜接。所述弧形轉彎段底板的階梯梯面的坡度優選0.30，所述上遊直線銜接段底板的階梯梯面的坡度優選由0.05均勻增大至0.30，所述下遊直線銜接段底板的階梯梯面的坡度優選由0.30均勻減小至0。

上述適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道，所述上遊直線段的下遊端設置有摻氣減蝕設施。所述摻氣設施由挑坎和緊鄰挑坎末端並位於挑坎兩側的兩個通氣孔組成。

本發明所述適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道，其上遊直線銜接段、弧形轉彎段、下遊直線銜接段的階梯尺寸可依據溢洪道單寬流量來設計，應保證在設計流量下可形成穩定流態，且具有較高的消能率。所述上遊直線銜接段、下遊直線銜接段的長度可根據臨界水深、階梯高度和彎道橫向坡降等因素設計。

本發明所述轉彎溢洪道運行時，在弧形轉彎段傾斜階梯底板的作用下，水流的重力分量增加了側向力，因而可抵消高流速下離心力的影響，保證水流的平衡；階梯相當於水流中的突體，水流通過時產生漩滾、水流內部紊動剪切、水流與階梯臺階之間的碰撞和水氣之間的動量交換消散能量，使弧形彎道內水流速度明顯降低且較為恆定；上下遊直線銜接段階梯的設置，縮短了水流橫向流速分布的調整距離，減小和避免了溢洪道內非對稱水流對下遊消能設施的影響；在上遊直線段的下遊端設置的摻氣減蝕設施，避免了溢洪道前幾級階梯因摻氣不充分而發生空蝕破壞。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、本發明所述轉彎溢洪道，由於弧形轉彎段的底板為沿水流方向設置有多級階梯的底板，且每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉彎段的圓心一側傾斜，因而在階梯水流的強紊動和局部超高的側向力共同作用下，水流橫斷面流速和水深均能保持均勻分布，避免了弧形轉彎段產生急流衝擊波，使水流在高弗勞德數下也能在彎道內平穩過渡，保證溢洪道安全運行。

2、本發明所述轉彎溢洪道設置有上遊直線銜接段和下遊直線銜接段，並且上遊直線銜接段和下遊直線銜接段的底板設置有朝著弧形轉彎段的圓心一側傾斜的階梯，因而可使水流流態平穩過渡，避免了弧形轉彎段後折衝水流的出現及發生空蝕破壞，並能顯著縮短弧形轉彎段後水流流態調整的距離。

3、本發明所述轉彎溢洪道，階梯上的滑移水流經過一定距離後，在階梯的消能作用下水流基本達到均勻流，沿程流速不再增加，此時水流流速明顯降低，水流平穩流過弧形轉彎段，有利於減小弧形轉彎段對階梯坡度的要求，有利於消力池規模的減小，從而減小施工難度並降低工程造價。

4、由於本發明所述轉彎溢洪道在上遊直線段的下遊端設置有摻氣減蝕設施，因而避免了上遊直線銜接段前幾級階梯發生空蝕，增加了階梯溢洪道的應用單寬流量。

5、本發明所述轉彎溢洪道結構簡單，易於施工。

附圖說明

圖1是本發明所述適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道的結構示意圖；

圖2是圖1的俯視圖(轉彎溢洪道的平面布置圖)；

圖3是本發明所述適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道中洩槽的平面布置圖；

圖4是圖1中弧形轉彎段處的A-A的剖面圖；

圖5是圖1中上遊直線銜接段處的B-B剖面圖；

圖6是圖1中下遊直線銜接段處的C-C剖面圖；

圖7是本發明所述適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道中摻氣設施的結構示意圖；

圖8是實施例中的轉彎溢洪道在消能防衝流量下弧形轉彎段的流速分布矢量圖；

圖9是實施例中的轉彎溢洪道在設計流量下弧形轉彎段的流速分布矢量圖；

圖10是實施例中的轉彎溢洪道在校核流量下弧形轉彎段的流速分布矢量圖；

圖11是實施例中的轉彎溢洪道在消能防衝、設計和校核流量下弧形轉彎段的橫斷面水面線分布圖。

圖中，1—上遊直線段，2—上遊直線銜接段，3—弧形轉彎段，4—下遊直線銜接段，5—下遊直線段，6—進水段，7—控制段，8—消能段，9—摻氣減蝕設施，9-1—摻氣挑坎，9-2—通氣孔，α—弧形轉彎段底板與水平面的夾角，β—上遊直線銜接段底板與與水平面的夾角，γ—下遊直線銜接段底板與與水平面的夾角。

具體實施方式

下面結合附圖通過實施例對本發明所述適用於高弗勞德數下的轉彎溢洪道做進一步說明。

實施例

本實施例中，以城鄉供水、農業灌溉為主，兼顧防洪等綜合效益的中型水利工程設計和製作試驗模型，所述中型水利工程為Ⅲ等，主要建築物級別為3級，水庫總庫容1113萬m3。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、取水建築物和上壩公路工程組成。水庫正常蓄水位為517.00m，設計洪水位517.00m，校核洪水位518.31m，最大壩高72.10m，壩頂寬度8.00m，壩軸線長142.95m。溢洪道緊靠大壩右壩端，採用底流消能形式，溢洪道軸線全長333.76m，從上遊至下遊依次由進水段、控制段、洩槽、消能段銜接組成，其中，控制段採用有閘控制正堰，堰頂高程511m，設兩孔6m×6.5m平板閘，閘墩頂部尾部設交通橋，洩槽全長212.74m，寬度為10m，底板縱向坡度為1:3.5，洩槽所含弧形轉彎段的轉彎半徑為150m，轉彎角度為33.85°。消力池底板高程444.00m，消力池後接洩洪渠，將洪水排洩至下遊河道。溢洪道消能防衝洪水標準為30年一遇洪水，相應下洩流量為272m3/s；設計洪水標準為50年一遇洪水，下洩流量為304.0m3/s，相應上遊庫水位為517.00m；校核洪水標準為1000年一遇洪水，下洩流量為448.0m3/s，校核洪水位為518.36m。

本實施例所述轉彎溢洪道試驗模型，結構如圖1、圖2所示，從上遊至下遊依次由進水段6、控制段7、洩槽、消能段8銜接組成；所述洩槽如圖3所示，從上遊至下遊依次為上遊直線段1、上遊直線銜接段2、弧形轉彎段3、下遊直線銜接段4和下遊直線段5；所述上遊直線銜接段、弧形轉彎段和下遊直線銜接段的底板均為沿水流方向設置有多級階梯的底板，弧形轉彎段3的底板設有17級階梯，上遊直線銜接段2的底板設有5級階梯，下遊直線銜接段4的底板設有6級階梯，階梯高度按照局部超高方案測得的斷面水深，兼顧施工難度進行設計；弧形轉彎段3底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉彎段的圓心一側傾斜(見圖3、圖4)，每級階梯高度均為1.5m，每級階梯梯面的坡度均為0.30；上遊直線銜接段2底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉彎段的圓心一側傾斜(見圖3、圖5)，5級階梯梯面的坡度由0.05逐級均勻增至0.30；下遊直線銜接段4底板的每級階梯的梯面為斜面，朝著弧形轉彎段的圓心一側傾斜(見圖3、圖6)，6級階梯梯面的坡度由0.30逐級均勻減小至0與下遊直線段5的平直底板銜接。上遊直線銜接段2、弧形轉彎段3和下遊直線銜接段4底板的各級階梯在溢洪道中線位置處的長度均為5.25m。

為避免上遊直線銜接段2底板的前幾級階梯因摻氣不充分而發生空蝕破壞，在上遊直線段1下遊端設置有摻氣減蝕設施9，所述摻氣設施由挑坎9-1和緊鄰挑坎末端並位於挑坎兩側的兩個通氣孔9-2組成(見圖7)，挑坎9-1末端距上遊直線段1起始處50m處，挑坎的高度為0.5m、坡度為0.1，通氣孔9-2的橫截面尺寸為1m×1m。

進行試驗時，分別以消能防衝洪水標準(下洩流量為272m3/s)、設計洪水標準(下洩流量為304.0m3/s)、校核洪水標準(下洩流量為448.0m3/s)的水流下洩流量通過轉彎溢洪道試驗模型。

試驗結果：弧形轉彎段的流速分布見圖8、圖9、圖10，從圖8-10可以看出，水流橫斷面流速分布均勻，且經過一定距離後沿程流速不再增加，在消能防衝流量下，弧形轉彎段流速值穩定在15～19m/s；在設計流量下，弧形轉彎段流速值穩定在16～21m/s，在校核流量下，弧形轉彎段流速值穩定在17～23m/s。弧形轉彎段的橫斷面水面線分布見圖11，從圖11可以看出，在不同流量下階梯橫向斷面水深分布均勻，水面線與洩槽底板近於平行，未發生折衝水流現象。下遊直線銜接段未出現負壓，水流平穩，下遊直線銜接段末端階梯處於消力池水躍紊動區內，加劇躍首段紊動，消能效果良好。

對比例1

本對比例的工程概況和設計流量與實施例相同。

本對比例中的轉彎溢洪道模型為傳統平底板溢洪道模型，即整個洩槽的底板為平底板，弧形轉彎段底板的橫截面坡度為0。

進行試驗時，分別以消能防衝洪水標準(下洩流量為272m3/s)、設計洪水標準(下洩流量為304.0m3/s)、校核洪水標準(下洩流量為448.0m3/s)的水流下洩流量通過平底板轉彎溢洪道試驗模型。

試驗結果：弧形轉彎段起始橫截面處的水流速度在消能防衝流量、設計流量和校核流量時分別為23.47m/s、24.13m/s、25.69m/s，弧形轉彎段產生彎道急流，造成溢洪道洩槽中形成折衝水流等較差流態，弧形轉彎段內橫斷面水深比降大，甚至彎道內側出現明顯無水區；弧形轉彎段後水流在消能防衝流量時的流速為27.07m/s，設計流量時為31.64m/s，校核流量時為35.21m/s，流速過大，水流折衝嚴重，導致消力池內發生較高程度的遠驅式水躍，消能不充分。

對比例2

本對比例的工程概況和設計流量與實施例相同。

本對比例中的轉彎溢洪道模型按現有渠底超高法設計，弧形轉彎段的底板的橫向坡度為0.35，弧形轉彎段上遊通過上遊銜接段與上遊直線段銜接，弧形轉彎段下遊通過下遊銜接段與下遊直線段銜接，所述上遊銜接段底板的橫向坡度從上遊至下遊由0光滑漸變至0.35與弧形轉彎段上遊銜接，下遊銜接段底板的橫向坡度從上遊至下遊由0.35光滑漸變至0與下遊直線段的平直底板銜接。

進行試驗時，分別以消能防衝洪水標準(下洩流量為272m3/s)、設計洪水標準(下洩流量為304.0m3/s)、校核洪水標準(下洩流量為448.0m3/s)的水流下洩流量通過渠底超高法轉彎溢洪道試驗模型。

試驗結果：消能防衝和設計流量下彎道內基本未發生折衝水流現象，但當流量增大至校核流量時，弧形轉彎段橫斷面流速、水深分布不勻，大流量下未能達到預期的平衡狀態。弧形轉彎段後銜接處出現負壓，以設計流量為例，此處最大負壓為-2.5m(×9.8KPa)，此時的水流流速為31.64m/s，對應此處的水流空化數為0.19，極易發生空蝕破壞。弧形轉彎段後水流流速值與對比例1中相近，仍有折衝水流的出現，消力池仍未有效消能。