大沙河水库泥沙淤积下溢洪道水力模型试验研究.pdf

第卷第 期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年 月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gO c t,张月嫦大沙河水库泥沙淤积下溢洪道水力模型试验研究J水利科学与寒区工程,():大沙河水库泥沙淤积下溢洪道水力模型试验研究张月嫦(开平市大沙河水库,广东 开平 )摘要:为研究大沙河水库上游泥沙淤积特征对溢洪道运营影响,采用水工模型试验对比方法,对泥沙淤积高度影响下的溢洪道进水段、泄流段水力特性开展分析.基于水工模型试验结果,得到泥沙淤积特征不会影响溢洪道进水段水面线分布变化,对断面上水面线高度变幅、峰值断面均无影响,但会改变水面线高度值,且与之为负相关.在溢洪道泄流段处,不论是低或高泄流量,泥沙淤积高度不超过 m时,流速均为一次增、减变化特征,反之则会具有二次增、减段;淤积特征不仅影响泄流段流速分布变化,也与流速水平呈正相关,导致下游冲蚀能量剧增.由试验结果得到泄流段压强在泄流量 m/s与 m/s下分别呈“U”形与“V”形曲线特征;淤积特征虽不影响该段压强分布变化,但会促使压强值随淤积高度逐渐降低,且影响降幅逐步增大,压强值接近负压.论文可为泥沙淤积物理特征对溢洪道运营影响提供参考.关键词:大沙河水库;溢洪道;水面线;流速;压强中图分类号:T V ;T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:张月嫦(),女,广东开平人,工程师,从事水利技术管理工作.E m a i l:i c w c o m.溢洪道作为水工设施中常见的泄流建筑,其运营安全性受多种因素影响,如自身设计参数、外部泄流工况以及所处水力环境 .泥沙淤积会影响溢洪道水力特性,从而改变溢洪道的泄流消能水平.鲁洪、刘菊莲为研究溢洪道水力特性影响特征,借助流场模拟计算方法,从溢洪道的挑流消能设计出发,分析了溢洪道断面流速、紊动能等水力特性,评价了溢洪道挑流消能设计方案合理性.钟勇明等、何志亚等同样为研究溢洪道泄流水力特征,设计了水工模型试验,从试验监测数据中分析溢洪道各部分断面水深、流速、水面线等特征,对推动溢洪道安全设计有参考价值.针对上游泥沙淤积对溢洪道影响,刘华亮、刘荣采用模型试验对比、三维流场计算等方法,从泥沙淤积造成溢洪道断面流速、压强以及水面线等参数变化,对溢洪道的安全运营提出指导意见.本文为研究大沙河水库溢洪道受上游泥沙淤积影响,基于上游不同泥沙淤积高度方案,评价了溢洪道进水段与泄流段水力参数影响,为工程运营设计提供依据.试验概况 工程介绍作为开平地区重要水利枢纽,大沙河水库具有灌溉、防洪、发电以及输供水等功能,与立新水库、锦江水库以及潭江水利枢纽,构建起潭江下游段水文水资源中枢,对调节开平、江门乃至佛山地区的水资源,均具有重要作用.大沙河水库乃是西江支流新兴江、大沙河上的控制枢纽,设计总 库 容 为 亿m,控 制 流 域 面 积 超 过 k m,是控制新兴江、大沙河等支流的重要蓄洪、泄流设施,建设有多座大中型水工建筑物,如主坝、副坝、泄洪闸、淤积拦沙坝以及引水干渠、支渠等,设计校核洪水位为 m,不论是夏季台风季或是秋冬季枯水季,大沙河水库顺应地区人民需求,借助引水干渠、支渠工程,开展输调水运营,年引水量超过 万m,对缓解地区工农业用水紧张有所帮助.大沙河水库主坝最大坝高为 m,主轴长为 m,副坝最大坝高为 m,有 座副坝,副坝总长度是主坝的 倍之多,且主坝、副坝均为土石坝,坝顶宽度为 m.根据坝体传感器监测以及智慧水利模拟计算,水库主坝、副坝防渗状态较好,流速未超过 m/s,在主副坝与拦沙坝交汇处,存在有局部活跃渗流,此与拦沙坝存在较高泥沙淤积有关.据分析,大沙河泄洪期泥沙含量较高,不仅在输水干渠、支渠中存在有过量的泥沙淤积,且水库部分闸站设施也受之侵蚀影响,同步建设的水库拦沙坝对区域泥沙悬浮沉降有较大作用,但受限于运营能力及坝前已有泥沙淤积状态,运营效果不太理想.因而,考虑新建一个溢洪道工程,所规划的溢洪道底板与拦沙坝底坎高程一致,且不高于淤积高程.溢洪道规划设计有闸门进水段、过渡消能段、泄流段以及出流段,泄流段为陡槽式设计,掺气坎挑角为,全主轴长为 m,最大泄流能力可达 m/s,对泥沙迁移、冲积均有正向作用.因而,工程部门在考虑上游拦沙坝淤积现状的前提下,对溢洪道的水力运营参数进行调整,确保溢洪道泄流、冲沙安全.试验方法为确保试验结果可靠性,通过水工模型试验,并基于试验结果评价溢洪道与上游淤积特征的匹配性,确保溢洪道建设与运营安全.根据模型试验要求,构建起完整的泄流模态,图所示为试验各部分组成装置.该模型试验中,采用离心泵作为动水体系来源,采用节制阀、分流阀控制水流流量,且双重配置有电磁流量开关,精确测量过管流量.根据大沙河水库溢洪道规划方案,经简化部分附属设施,采用敞开式进口体型设计,长度为 m,坡度为/,上游淤积段为模拟拦沙坝淤积特征,长度为 m,宽度为 m,进水口与引渠段相连接,渐变段长度为 m,泄流段轴长为 m.该水工模型几何比尺为 ,流量与流速比尺分别为 、,模型糙率为 ,.试验所用材料均为有机玻璃,按照大沙河水库淤积段治理实际特征,对溢洪道各区段高程进行调整,确保试验结果与工程实际吻合.图试验各部分组成装置要确保试验顺利进行,需要考虑各部分测量装置,分别在溢洪道的泄流段、进口段中设置有监测传感器,对水位、流速以及压强等水力参数进行监测,泄流段共有 个监测断面,进口段共有 个监测点;不仅如此,在各部分试验装置的交界断面处均设置有水力参数监测面,使溢洪道全断面均处于可视化、可控化与可分析化.图为其中泄流段流速监测断面示意,按照表、中、底三个层次,分别设置有不同测线,从泄流段起点至终点顺延.试验前,所有试验装置均进行标定,监测传感器进行清零,每一次试验前参数的调整,均不改变试验设备.图流速监测断面示意图基于大沙河水库拦沙坝淤积特征,考虑在模型试验中改变淤积特征,研究溢洪道水力参数变化,从而为泥沙淤积治理及溢洪道设计提供参考.从试验参数考虑,设计有上游来水流量与淤积高第 期张月嫦大沙河水库泥沙淤积下溢洪道水力模型试验研究度两个变量,上游来水流量按照运营工况,分别设定为 m/s、m/s、m/s,淤积高度反映了淤积段物理特征,对溢洪道进水口流态、水力特性均有影响,根据工程现状,分别设定为m(无 淤 积)、m、m、m、m、m.由上述不同流量以及淤积特征方案,从模型试验结果评价溢洪道设计合理性.淤积特征对进水段水力参数影响上游泥沙淤积高度会影响溢洪道进水口水力势能,从而改变进水口区段内渗流特征,基于模型试验中进水段 个测点的水面线监测数据,获得了各淤积高度方案下水力特性变化,如图.从图中可看出,同一泄流量方案下,不论淤积高度为何值,进水段水面线高度在各断面上均具有一致性变化特征:先降低后稳定增长至峰值水面线,最终水面线下落.分析认为,上游泥沙淤积高度变化,对水面线高度的影响仅在量值水平,从入口处总体上影响水面线高度,对进水段水面线的分布起伏影响较弱.进一步分析可知,当泥沙淤积高度愈大,进水段水面线高度愈低,泄流量为 m/s时,在断面测点处淤积高度m方案中水面线高度为 c m,而淤积高度 m、m、m下同断 面 水 面 线 高 度 较 前 者 分 别 减 少 了 、;不仅如此,在各方案的峰值水面线高度处,均位于断面 测点,淤积高度m方案下分布为 c m,当淤积高度每递增 m,则峰值水面线高度平均下降了,特别的各方案间峰值水面线高度变幅较为接近,该泄流量工况中,淤积高度 m下各方案间峰值水面线高度变幅依次为 、.当泄流量增大至 m/s后,此等现象亦是如此,峰值水面线高度较 m/s泄流量工况下增长了 ,分布为 c m,随淤积高度 m变 化,峰 值 水 面 线 高 度 具 有 降 幅 ,而在个方案间降幅基本接近.综上可知,不论是泄流量或是淤积高度改变,进水段水面线分布变化趋势均保持一致,而淤积高度增大,水面线会降低,但泄流量增大,水面线分布水平会提高,且淤积高度的变化,对水面线高度分布特征影响具有均衡稳定性.图进水段水面线高度特征 淤积特征对泄流段水力特性影响 流速特征基于不同泄流量工况下泄流段流速特征监测,获得了溢洪道泄流段各断面的流速变化特征,如图.依据图中流速特征可知,不同淤积高度下,泄流段各断面流速变化趋势特征有所差异.不论上游 泄 流 工 况 为 何 值,当 淤 积 高 度 不 超 过 m时,泄流段流速呈先增后减变化,但峰值流速在各测点断面中有所差异,泄流量 m/s工况中,淤积高度m、m、m下分别位于测点、,随淤积高度递增,峰值断面愈水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷提前;当淤积高度超过 m后,在各泄流量工况中,泄流段流速呈两次“增、减”转折特征,但二次增幅低于一次增幅,泄流量 m/s工况中淤积高度 m一次增幅为测点,平均增幅为 ,而二次增幅位于测点 ,平均增幅为 .分析认为,上游拦沙坝淤积特征会改变泄流段流速分布趋势,特别在下游引起更高的流速分布,导致消能排沙效果较弱.从流速水平对比来看,当淤积高度愈大,则流速水平愈高,此现象在个泄流工况中均是如此.当泄流量为 m/s时,淤积高度m时峰值流速为 m/s,全断面平均流速为 m/s,而淤积高度 m、m、m下峰值流速分别为 m/s、m/s、m/s,其中淤积高度 m、m下峰值流速较之m时分别提高了 、.对比平均流速可知,当淤积高度每增大 m,则泄流段平均流速可增大.流速水平的对比反映了泄流段水力势能、泄槽与水体摩擦、涌动的能量体现,当上游淤积高度过 大,会 影 响 泄 流 段 槽 坎 对 动 水 势 能 的 消耗 ,部分卷起的泥沙再次扰动了水体底、中部流速,从而引起了断面流速重分布平衡.图泄流段流速特征 压强特征从监测数据中不仅可获得流速参数变化,亦可获得泄流段压强特征,如图所示.由图可看出,较之流速特征下的复杂影响性,泄流段压强在同一泄流量工况中具有一致性特征,如泄流量 m/s下均为“U”形曲线特征,谷值压强分布于测点,而在泄流量 m/s下断面压强呈“V”形特征,谷值断面均位于测点.由此可知,泄流量增大,主要影响位于谷值压强分布区,高泄流量会促使谷值压强区分布进一步减小.从压强量值特征对比可知,淤积高度愈 大,压强值愈小,此现象在个淤积方案中均是如此.由谷值压强对比可知,泄流量 m/s下,淤积m时为 k P a,而淤积 m分布为 k P a,此个方案谷值压强较之淤积m时分别降低了 、;但在淤积高度 m、m方案中,谷值压强受淤积高度 影 响 效 应 更 大,量 值 分 别 为 k P a、k P a,较 之 淤 积 高 度 m下 分 别 减 少 了 、.总 体 上 来 看,泄 流 量 m/s中,随淤积高度 m变化,谷值压强平均减少了 ,但在淤积高度 m方案内,谷值压 强 的 平 均 降 幅 为 .同 样 在 泄 流 量 m/s中亦是如此,其可采用泄流段平均压强对比来看,增大泄流量后,泄流段总体压强水平高于低泄流量工况,在个淤积方案中,其断面平均压强分布为 k P a,较之泄流量 m/s下增大了 ;另一方面,在淤积高度 m变化过程中,平均压强在各方案间具有降幅 ,而在淤积高度 m间具有降幅 .综上分析可知,当淤积高度逐步增大,泄流段压强量值受之影响敏感性更强,甚至第 期张月嫦大沙河水库泥沙淤积下溢洪道水力模型试验研究图泄流段压强特征会逐步逼近负压强,有产生空蚀风险.结论()淤积特征不改变溢洪道进水段水面线分布变化特征,泄流量 m/s与 m/s下峰值水面线高度均位于测点断面;当泥沙淤积高度愈大,进水段水面线高度愈低,前者两泄流量工况下,淤积高度 m梯次变化,会引起峰值水面线高度平均减少 、.()淤积高度不同,则溢洪道泄流段流速分布变化特征有所差异,高度不超过 m时,具有一次增、减变化,反之断面上具有两次增减变化特征;淤积高度与泄流段流速具有正相关特征,泄流量 m/s下淤积高度 m中峰值流速分布为 m/s.()淤积高度方案变化,则溢洪道泄流段压强分布变化特征仍保持一致,在泄流量 m/s与 m/s下分别呈“U”形与“V”形曲线特征;淤积高度愈大,压强愈低,且随淤积高度逐步增大,泄流段压强随之降低幅度愈大,甚至接近负压,易引起结构空蚀.参考文献:邓硕彦溢洪道增设掺气坎对水力特性影响研究J水利技术监督,():卢玉海,宋文彬伊春市西山水库汛期溢洪道泄洪特性分析J黑龙江水利科技,():,张辉,喻双林,杨阳,等阶梯溢洪道水力特性及下游冲刷三维数值模拟J泥沙研究,():鲁洪基于F l u e n t流场模拟下溢洪道水工消能设计优化分析研究J甘肃水利水电技术,():刘菊莲基于F l u e n t的某水库溢洪道消能结构设计分析研究J水利技术监督,():,钟勇明,朱红华,黄智敏饶平县汤溪水库溢洪道水工模型试验研究J广东水利水电,():何志亚,汤荣才,冷月华,等平海子水库扩建工程溢洪道优化试验研究J山西水利科技,():刘华亮某淤地坝除险加固中新建溢洪道设计方案探究J陕西水利,():刘荣小流域淤地坝溢洪道压强特性分析及挑流消能计算J水利技术监督,():胡良才,李会平溢洪道体型优化水工模型试验研究J东北水利水电,():,许晖,肖鑫明鱼枧水库溢洪道物理模型试验研究J湖南水利水电,():,武英豪,王均星,包芬芬,等清渡河水库溢洪道模型试验研究 与 体 型 优 化 J水 电 能 源 科 学,():贾红娟某水库工程泄洪排沙洞出口消能防冲方案模型验证及优化设计J水利规划与设计,():何志亚,冷月华,向鹏鹏,等俄垤水库扩建工程溢洪道消能减蚀模型试验研究J水电与新能源,():水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷