堰面曲线、门槽布置和体型优化：全面优化水坝设计

表孔堰顶在坝轴线下游3.6m,堰顶上游坝面采用1/4椭圆曲线,单项工程技术设计审查阶段,椭圆曲线改为,表孔上游坝面在坝轴线上游4.8m,与底孔反钩叠梁检修门之间留有0.2m的间隙,防止反钩门止水磨损。进口侧曲线受深孔反钩叠梁门制约,采用的1/4椭圆曲线。堰顶下游WES曲线的定型设计水头取22m,曲线方程为x1.85=2×220.85y,堰面下游接1∶0.7的斜坡段,再接R=30m反弧段。由于底孔长管方案工作闸门及启闭机室布置的需要,反弧鼻坎末端上移至桩号20+75.7m处,鼻坎高程抬高至110m,挑角减小至10°,表孔的体形见图4.1。

表孔最高工作水头达25m,双门槽容易引起水流空化,因此门槽布置与体型是设计和模型试验研究的重点。长科院与水科院的模型试验研究表明,缩短两道门槽的布置间距,有利于消除和减弱门槽区的空化水流。但由于受深孔与底孔事故检修门布置的制约,两道门槽不可能相距很近。经研究取两道门槽间距为5.8m,其体型尺寸相同,门槽宽1.4m,深0.85m,下游侧错距0.11m,角隅圆弧半径0.1m,接1∶12斜坡至原闸墩边墙。

图4.1　泄洪表孔体型

(a)剖面图;(b)平面图;(c)门槽体型详图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)

图4.2　泄洪坝段体型图(研究方案)

(a)1—1剖面图;(b)2—2平面图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)(www.xing528.com)

长江科学院(以下简称“长科院”)对表孔双门槽布置进行了详细的比较和优化工作,对各影响因素有了更深入的认识。具体优化方案见表4.1,成果见表4.2。最终推荐方案9的空化特性结果是:上游水位为175m时,测得的水流噪声频谱声压级增量ΔSPL均小于5dB;上游水位为180m时,第二道门槽下游侧墙斜坡段ΔSPL接近5dB。按照ΔSPL=5～10dB为水流空化初生的判别标准,表明在上游水位175m运行时,两道门槽下游侧墙均无水流空化初生;在上游水位180m运行时,在第二道门槽下游侧墙处有水流空化初生(较微弱)。

表4.1　表孔门槽空化特性试验各比较方案特征参数

注 门槽起点为检修门槽与坝轴线距离,向下游为正,向上游为负。

表4.2　各方案两道门槽区域空化噪声谱级差　单位:dB

注 表中结果为100kHz附近的谱级差。

中国水利水电科学研究院(以下简称“水科院”)对表孔双门槽布置(两门槽间距5.8m,门槽宽1.4m,深0.85m)空化特性试验结果[5]是:在设计水位175m运行时,上下游门槽两个水听器最大水流噪声频谱声压级增量ΔSPL分别为4dB和5dB,相对噪声能量分别为1.89和2.01;在校核水位180.4m运行时,ΔSPL分别为6dB和8dB,相对噪声能量分别为2.78和4.78。按他们多年试验研究经验,当水流噪声频谱声压级增量的最大值ΔSPL达到5～7dB,相对噪声能量达到2时作为空化初生的判别标准,则下游门槽在设计水位和校核水位下运行时均发生空化水流,而上游门槽只在校核水位运行时发生水流空化初生。他们通过试验研究,建议在下游门槽前设小折流器(坎高9cm,长30cm),可保证在各级上游水位下运行两门槽区都不会发生水流空化。