斜切挑坎挑流水舌入水宽度计算

斜切挑坎挑流水舌入水宽度计算

由于经济发展和水利企业的发展需要，中国建立了一系列大型节水节水项目。这些工程常具有水头高、单宽流量大、地形狭窄及泄洪频繁等特点,泄洪消能问题十分突出。针对不同的地形及工况,选择合适的泄水建筑物型式及消能设施,是关系到水利工程安全与经济的重要问题。挑流消能是利用挑流鼻坎将泄槽中下泄的高速水流向空中抛射,使水流向四周充分扩散、掺气,然后落进下游水垫塘,此种消能方式大都用于高水头枢纽中。经统计,以连续坎、窄缝坎、差动坎、扩散坎、扭曲坎、斜切坎等体型应用最为广泛。由于受地形限制,岸边式溢洪道与主河床往往会有较大的夹角,极易引发水舌对冲边坡、水流归槽不利等问题,斜切挑坎可较好地解决这些问题。但目前对斜切挑坎的应用大多来自工程经验,理论研究还不够完善。由于挑流水舌入水宽度是判定水舌横向扩散的主要指标,因此对斜切挑坎水舌入水宽度随切角变化规律的研究具有十分重要的意义。1斜切挑坎挑射斜切挑坎是将传统挑坎沿某一角度斜切,从而使之前只有一种挑角的挑流鼻坎变化成具有一系列不同挑角的多挑角挑坎,使挑射水流运动形式发生了重大变化。与普通等宽挑坎相比,斜切挑坎的溢洪道出口端斜交于出口轴线而非垂直,其导墙一侧长一侧短,运用长的一侧导墙就可将水舌导入主河槽,并增加水舌的横向和纵向扩散。鼻坎经斜切后,由于出坎流速和出坎高程的不同使得挑流水舌的挑射距离也各不相同,水舌就在横向上发生了明显的扩散。所以斜切挑坎不仅是一种挑流结构,同时还是一种散流结构。从斜切坎挑射出的水舌在河床中的分布并不均匀,但入水的单宽流量已大为减少,这是可明显减少对下游河床冲刷的重要原因。斜切挑坎挑射水流的能量耗散大部分来自沿程水舌与空气的摩擦,流程越长空中能量消耗也就越大。当空中水舌运动速度越大,水与空气摩擦程度越大,能量耗散也就越大。由于出坎高程和出坎流速的不同,水与水之间也会有相互摩擦,因此也有能量消耗,但与水气摩擦相比,消能相对不大。另外,由于斜切坎挑射角的不同,挑射水流发生明显的扩散。当挑射水流的流速加大到一定程度以后,水舌会自动掺气,这也将引起横向扩散。水舌扩散将增大水与空气的接触面积,也就增大了两者之间摩擦消能数量。由于斜切鼻坎的散流作用使得挑射水流外缘横截面扩大,当挑流流量不变时,断面平均流速相应减小,流速变化越大能量损耗也就越多。此外,由于水气相互作用,不仅有摩擦作用,还可能产生搅混作用,也会促进能量消耗,可见扩散有利于消能。2坝面流速分析按照射流理论及斜切挑坎水舌挑距与入水宽度的几何关系(图1),推求出沿程水舌横向入水宽度b和实际入水宽度c分别为:式中,b0为出坎时的水舌宽度;b1、b2分别为低坎、高坎侧横向扩散宽度;x1、x2分别为低坎和高坎水舌外缘挑距;α为挑流水舌的水平扩散角,取2.67°;β为挑坎斜切角。挑射水舌的平均射距公式为:其中φ2=1-0.0186S0.766Δ0.233Z0.5/hk1.5(4)式中,φ为坝面流速系数,可按自由边界层理论推导出的公式计算;Z为上游水位至鼻坎出口的落差;θ0为水舌出射角;K为阻力影响系数;a为鼻坎水面至下游水位的高差;S为溢流坝面沿程长度;Δ为溢流面表面的粗糙度,可取0.61~1.00mm;hk为临界水深。低挑坎时阻力影响系数K为:高挑坎时K为:式中,Fr0为出坎水流佛劳德数;x为斜切角度;h0为鼻坎出口断面水深;v为坎上流速;h1为上游水位至鼻坎顶点的高差;K0为流能比;q为单宽流量;Z0为上下游水位差。经斜切后,挑流鼻坎演变为具有不同挑射角的多挑角挑坎,水流以不同的挑角从溢洪道坎顶射出。而斜切挑坎低挑坎的挑角由斜切角度决定:式中,R为溢洪道反弧半径;θ1为高挑坎挑角;B为溢洪道宽度。变换式(7)可得切角的变化范围为:根据《溢洪道设计规范》,为保证挑坎的正常出流,低挑坎的挑角范围在(10°,θ)。所以斜切角,带入B和R即可求得挑角θ下的切角范围。3例子3.1大坝两侧溢洪道威远江水电站位于云南省思茅地区景谷县境内威远江下游河段,是所在干流的核心电站,水库2000年一遇的设计洪水位为907.46m。威远江水电站的主要泄水建筑物有泄洪隧洞和岸边式溢洪道两种形式。其中,泄洪隧洞布置在大坝右岸,岸边式溢洪道紧靠右坝肩。溢洪道轴线方向垂直于坝轴线,为枢纽泄洪的主体建筑物。溢洪道由引水渠、堰体闸室段、泄水槽和挑流鼻坎4部分组成。堰体闸室段总长30m,堰顶高程893.000m,前缘宽度24.000m,堰上分为两孔,中墩宽4.000m,每孔净宽为12.000m。溢流堰后接泄水明槽,断面形式为矩形,泄槽总长269.337m,总宽20.000m。根据实际地形和水流归槽情况,设计前段为缓底坡i=1%,中后段为坡角25°的陡槽,泄槽深度范围为10.000~9.000m,水流最大流速36.8m/s。溢洪道出口端挑坎高程为837.500m,挑流鼻坎挑射角为30°,反弧半径30.000m。3.2水舌入水宽度计算根据溢洪道几何形状可求得斜切角度的范围为[0°,26°],通过式(1)、(2)可计算出不同斜切角度下的水舌入水宽度,见表1。利用表1中的计算结果,就可得斜切挑流鼻坎水舌的落水轨迹随斜切角变化的示意图,部分斜切角下水舌示意图见图2。3.3斜切挑坎水舌入水宽度的影响由表1可看出,设计工况下水舌横向入水宽度随斜切角度的增大呈现先增后减的趋势,主要原因是随着切角增大,阻力影响系数先减后增,使得高、低挑坎的挑距先增后减,进而影响水舌横向入水宽度,而水舌实际入水宽度随切角增大逐渐增大。斜切挑坎水舌入水宽度与斜切角度的相关关系见图3。由图3可看出,R2≥0.99,由此可知,两条曲线与水力计算结果拟合程度极好。4模型地形及模型拟合依据溢洪道的实际规模,应充分考虑试验对场地的要求、所需的供水能力及模型与原型的相似要求。模型采用重力相似准则设计,规定线性比尺λL=70。模型上下游总长换算成原型为2000m,截取河段长度约为坝顶长度的6.8倍,其长度应满足水流在进出口处的相似要求。模型地形制作按照1∶10000地形图,整体采用断面法,其中相邻断面之间间隔为50~70m,然后应用等高线法对局部地形进行补点加密。为使糙率达到相似条件,采用水泥砂浆浇筑建筑物模型。设计斜切角度为22°,通过试验测得水舌入水宽度b=29.000m、c=45.000m;由图3中拟合出的计算公式求得b=28.000m、c=43.154m,相对误差分别为0.034、0.041。对比可知,采用水力计算公式获得的结果与物理模型试验的测试结果相差很小,从而验证了水力计算公式的可靠性。5斜切挑坎的水力计算a.运用水力计算方法得到斜切挑坎水舌入水宽度随斜切角度变化的方程,并利用模型试验对推导出的方程进行了验证分析,计算结果与实测资料吻合,计算公式可用于进行斜切挑坎的水力计算。b.由水力计算结果及水舌平面示意图分析可知,随着斜切角度的增大,低挑坎的挑距逐渐减小,从而使得挑