努尔加水库台阶式溢洪道水力特性的研究

努尔加水库台阶式溢洪道水力特性的研究
孔晓阳;崔忠
【摘要】本文主要介绍努尔加水库台阶式溢洪道的试验研究成果。

通过模型试验,对单宽流量在24.17—118m3/s.m的台阶式溢洪道的台阶坡度,高度和水力特性认识更加深入。

试验表明坡度较陡,单宽流量较小的情况下消能效果最好。

研究工作对大单宽流量台阶溢洪道的推广应用具有较高的参考价值。

%This paper describes the test results of the stepped spillway in Nuer Jia reservoir.It is better to understand the relation among the slope of stepped spillway,height of and hydraulic characteristics of,through model experiment with the discharge of 24.17 ~ 118m3/sm per unit width on the step spillway,The tests showed the energy dissipation is the best under slope steeper with smaller discharge per unit width.It has a valuable reference for stepped spillway with a large unit width discharge.
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2012(000)004
【总页数】4页(P8-11)
【关键词】台阶式溢洪道;纵坡;流量;模型试验
【作者】孔晓阳;崔忠
【作者单位】新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐830000;新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐830000
【正文语种】中文
【中图分类】TV651.1
1 前言
由于台阶式溢流面具有消能率高的有点，近年来得到广泛的普及应用，目前国内外对台阶式溢流坝和溢洪道开展了大量的研究工作，已建或在建的台阶式溢流坝和溢洪道已近一百座。

但工程应用以及目前的研究均表明，单宽流量q≤10—
15m3/s·m条件下，有较好的消能效果及较优的水力特性。

而对q＞20m3/s·m，是否能够选择合适的台阶布置型式，以达到消能效果好和水力特性优的效果，相关的研究工作针对台阶溢流坝较多，对台阶溢洪道相对较少。

因此，针对较大单宽流量采用台阶式泄槽的溢洪道，结合工程运用对其消能效果及水力特性开展研究工作，有较大的推广应用价值。

本文主要介绍努尔加水库台阶式溢洪道的试验成果，并对大单宽流量台阶式溢洪道的应用进行初步探讨。

2 工程概况
努尔加水库工程位于新疆维吾尔自治区昌吉市境内的三屯河流域，工程区地理坐标东经86°59′—87°04′，北纬43°48′—43°52′；水库坝址位于三屯河出山口中低山区，距上游已建三屯河水库13.3km，距昌吉市区约37km，距乌鲁木齐市约
75km。

枢纽布置由碾压式沥青混凝土心墙坝、表孔溢洪洞、深孔导流兼泄洪排沙洞、底孔放水洞组成，最大坝高81m。

表孔溢洪洞为枢纽的主要泄洪建筑物，溢洪洞布置在左坝肩，堰顶高程870m，堰顶宽度10.0m，设计泄量382.75m3/s，校核泄量819.70m3/s。

由引渠段、控制段、斜坡段及反弧段、渐变段、洞身段、泄槽段，挑坎段、消力塘段组成。

3 溢洪道水力特性
3.1 模型设计
模型按重力相似准则设计，采用比尺Lr＝40；流量比尺Qr=Lr5/2=10 119.3；流速比尺Vr=Lr1/2=6.325；时间比尺Tr=Lr1/2=6.325；糙率比尺
Nr=Lr1/6=1.849。

模型制作根据枢纽平面布置图(图1)进行。

泄水建筑物全部采用有机玻璃制作，满足糙率相似。

模型试验流量有849.6m3/s（校核洪水流量），626.7m3/s（设计洪水位弧门全开），382.7m3/s（设计洪水流量），174m3/s（起调水位），相应的单宽流量范围值为24.17—118m3/s·m。

设计方案中有大台阶和小台阶两种不同体形布置（如图1，表1）。

表1台阶形式台阶坡度台阶个数布置测压点台阶号大台阶 0.05 9 2#，6#，9#小台阶 0.333 39 2#，4#，7#，19#，30#，35#
图1
3.2 水流流态
在模型试验中，观测结果表明：大台阶水流表面光滑平稳，几乎无表面掺气现象；在小台阶处，水流底部均能观察到掺气现象。

特别是在小流量时，模型中水流掺气十分明显，水流在台阶表面呈旋滚波动状，表现为一片“白水”，水流在每个台阶内都存在强烈的旋滚。

随着流量的增大，这种效果逐渐减弱。

影响台阶溢洪道水流流态的溢洪道纵坡、单宽流量、台阶高度等因素，在一定条件下分别起到了主导作用。

相对于一定的溢洪道单宽流量，较陡的坡度的掺气效果好于较缓的坡度；相同坡度下，较小的单宽流量的掺气效果好于较大的单宽流量。

3.3 台阶压力分布
对于大台阶段，从试验测得的压力情况看，没有出现负压值。

对于小台阶段，由于小台阶比降和大台阶不同，在衔接处水流过渡过于突然，故在小台阶起点处有较大的负压存在，校核洪水位弧门全开模型测验到的最大压强为-8.98×9.8kPa，位置
在第2个小台阶处。

各台阶压强分布图见表2。

3.4 消能效果分析
按照水流的基本特性，水流在台阶面消能以两种不同形式的水流形态来进行消能的，在小流量情况下，台阶面水流呈舌状跌落水流，薄层水流从上一个台阶跌落到下一个台阶，通过和台阶水平面的撞击及水流紊动而消除能量，如此重复的再向下一个台阶传下去，如此重复跌落，消除能量；随着流量的增大，从台阶顶部射出的流速逐渐增大，舌壮跌落水流向滑移水流转化，在台阶面滑移流条件下，水流的能量主要通过水流在台阶面上的裂散掺气以及主流和底部漩涡之间的紊动交换实现，这种消能没有跌落效率高。

从台阶面消能的机理可以看出，对于同一个台阶面来说，其消能率会随着流量增大下降，也就是说，单宽流量越大，消能率越小。

这里采用如下方法来进行消能率的计算，在下图中选取3个计算断面（见图2），并且定义消能率：
表2 台阶段各测点压强（×9.8kPa）测点编号d21 d22 d23 d24 d25 d27 d28
d29桩号（m) 表0+230.178 表0+232.278 表0+234.378 表0+236.478 表
0+238.578 表0+270.178 表0+272.278 表0+274.378高程(m) 846.275 846.275 846.275 846.275 846.275 844.275 844.275 844.275压强校核工况
2.82 8.10 8.10 6.70 4.70
3.10 8.58 6.98设计工况 1.90 6.78 6.54 5.22 3.46 -
1.58 7.18 5.58测点编号大台阶水平面d30 d31 d33 d34 d35 d36 d37桩号（m) 表0+276.478 表0+278.578 表0+300.178 表0+30
2.278 表0+304.378 表
0+306.478 表0+308.578高程(m) 844.275 844.275 842.511 842.511 842.511 842.511 842.511压强校核工况 6.02 3.98 2.38 6.94 7.78 6.26 3.30设计工况
4.66 2.62 1.54
5.86
6.54 5.26 2.90测点编号大台阶水平面d38 d39 d40 d42
d43 d44 d46 d47桩号（m) 表0+312.331 表0+312.931 表0+313.531 表
0+316.331 表0+316.931 表0+317.531 表0+322.331 表0+322.931高程(m) 841.845 841.845 841.845 840.511 840.511 840.511 838.511 838.511小台阶压强校核工况 -8.58 -8.98 -8.38 1.85 3.49 5.21 4.97 4.89设计工况 -6.83 -7.11 -6.39 1.77 3.73 4.89 2.61 4.49测点编号d48 d50 d51 d52 d54 d55 d56桩号（m) 表0+323.531 表0+346.331 表0+346.931 表0+347.531 表0+368.331 表0+368.931 表0+369.531高程(m) 838.511 830.511 830.511 830.511 823.178 823.178 823.178压强校核工况 7.25 3.53 5.57 8.33 3.42 5.94 8.42设计工况 6.53 2.33 4.29 5.05 2.22 4.86 7.46测点编号 d58 d59 d60d26 d32桩号（m)表0+378.331 表0+378.931 表0+379.531 表0+239.378 表0+279.378高程(m)819.845 819.845 819.845 846.025 844.025小台阶水平面压强校核工况4.27 6.00 9.43 3.11 3.23设计工况 2.47 4.59 7.79 2.07 1.87测点编号大台阶垂直面d41 d45 d49 d53 d57 d61桩号（m)表0+313.931 表0+317.931 表
0+323.931 表0+347.931 表0+369.931 表0+379.931高程(m)841.511 840.178 838.178 830.178 822.845 819.511压强校核工况 -1.32 2.54 4.06 2.46 3.12 5.05设计工况 -0.45 2.22 3.26 3.26 2.07 2.77小台阶垂直面
图2
式中：E1为上游计算起始断面的总能量，E1=为下游计算断面的总能量，
E2=Z2+分别为上下游断面的底部相对高程（m）；h1、h2分别为上下游断面的水深（m）；v1、v2分别为上下游断面的平均流速（m/s）。

其中1-1断面考虑到模型测验位置，选在表孔溢洪洞洞身出口，桩号表
0+195.099m处，2-2断面选在大台阶和小台阶交界断面，桩号表0+309.378m 处，3-3断面是小台阶末端断面，桩号表0+389.930m处。

计算设定高程810m 做为势能基准高程，动能按照下泄流量与对应断面过水面积计算。

结果见表3：通过对原方案表孔溢洪洞4个不同流量在台阶面上的消能率进行测验和计算，可
以看出，随着流量的增加，其台阶面的消能率在逐渐降低，说明台阶面的消能对下泄的单宽流量比较敏感，大台阶的效能率远远小于小台阶的效能率。

表3流量断面断面桩号单宽流量相对高程平均水深断面流速消能率η校核洪
水位Q=849.6设计洪水位Q=626.7设计洪水位Q=382.7起调水位Q=174.0 1-
1 表0+195.099 118 37.260 6.13 19.25 2-
2 表0+309.378 118 32.511 5.92 19.9
3 η大台阶=5.77%3-3 表0+389.930 118 6.511 5.82 20.27 η小台阶
=43.27%1-1 表0+195.099 87.04 37.260 4.67 18.64 2-2 表0+309.378 87.04 32.511 4.57 19.05 η大台阶=6.81%3-3 表0+389.930 87.04 6.511 4.58 19.00 η小台阶=46.90%1-1 表0+195.099 53.15 37.260 3.17 16.74 2-2 表
0+309.378 53.15 32.511 3.27 16.22 η大台阶=10.07%3-3 表0+389.930
53.15 6.511 3.13 16.95 η小台阶=50.62%1-1 表0+195.099 24.17 37.260 1.73 13.97 2-2 表0+309.378 24.17 32.511 1.94 12.46 η大台阶=13.43%3-3 表
0+389.930 24.17 6.511 1.92 12.59 η小台阶=61.02%备注：表中单宽流量单位
为m3/s.m，流量单位为m3/s，高程、水深单位为m，流速单位为m/s
4 结语
通过努尔加水库台阶溢洪道的水力学实验研究工作，对于大单宽流量的台阶溢洪道的水里特性有了更深入的认识，对于台阶消能溢洪道的推广应用有很大的参考价值。

但对于台阶式溢洪道，溢洪道纵坡、单宽流量和台阶高度之间的适宜性，台阶上水深、表面掺气对台阶压力特性的影响，等等问题，尚有待进一步的研究探索。

参考文献：
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