深孔长管方案的优化研究

长江委设计院、长江科学院及水科院曾就深孔采用长管的可能性进行了比较和研究,现将有关情况简述如下。

5.2.3.1　长江委设计院及长科院的研究[26,27]

长江委设计院对深孔长管方案提出的布置如下:由于深孔长管方案与深孔短管方案所承担的任务相同,因此其孔数和进口底高程与短管方案一致,即在泄洪坝段共布置23个深孔,进口底高程为90.0m,长管方案的泄流能力应与短管方案基本相同,故出口尺寸由短管方案的7m×9m调整为6.5m×9.7m,鼻坎末端高程不超过90.0m。

为了与短压力管方案的研究成果对应,便于分析比较,结合弧形工作闸门采用不同型式的止水,长科院对长压力管方案也进行了弧门后不突扩和突扩两种方案的体型试验研究。模型取单个深孔,比尺1∶55,为常压模型试验,主要进行了泄流能力、流态,压强分布、水面线的量测,并对有压段及明流段的空化特性进行了分析。

(1)长管不突扩方案体型的试验研究。深孔体型采用长压力管接短明流泄槽的型式,有压段长75.0m,明流泄槽长35.0m。其体型剖面尺寸如图5.10所示。该方案有压段出口尺寸为6.5m×9.7m,进口段顶板、侧墙体型以及门槽位置和尺寸均与短管方案相同,孔身段底板坡度为1∶20,以增大泄槽底板的压力,提高水流空化数。

试验结果表明,当上游水位为175.0m时,长管方案深孔的泄流能力较设计值约小2%,随上游水位降低该差值有所减小。当上游水位在105.0m以下时,整个深孔保持明流状态,随上游水位上升,有压管道内由明流过渡为压力流;上游水位为113.0m时,全管道内均为压力流,管道内未见有明满流交替、封闭气囊等恶劣流态。压强量测值表明,除出口断面顶部有较小的负压(-1.81kPa)外,有压段、明流段上的压强分布均较平顺,无异常。经分析认为,深孔有压段产生水流空化的可能性较小,但明流段侧墙空化数较小(最小为0.23)。

(2)长管突扩方案体型的试验研究。长管突扩方案试验体型如图5.11所示,每边突扩0.5m。试验结果表明,突扩有压长管的泄量实测值略大于有压短管的设计值,满足设计要求。在深孔有压段流态随水位变化过程中,未见明满流交替及封闭气囊等不利流态。水流流出有压段后,由于突扩致使水流扩散,撞击侧墙形成较小的水翅,但不影响闸门运行。

图5.10　深孔长管不突扩方案体型

(a)剖面图;(b)平面图;(c)深孔门槽详图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)(www.xing528.com)

对图5.11所示的剖面方案略作修改,并进行比尺为1∶40的减压模型试验。结果表明,在各级上游水位下,弧门后水流侧空腔的掺气效果欠佳。就空化特性而言,有压段出口顶部转角处,在上游水位135.0m时,接近空化初生,该处体型尚需进一步优化。但就总体而言,再作一些局部改动,该体型还是可行的。

图5.11　深孔长管突扩方案体型

(a)剖面图;(b)深孔门槽详图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)

5.2.3.2　水科院的研究[28]

该项研究的基本体型是由长江委设计院所提供,如图5-11所示。取两个整坝段模拟,中间为一整孔的表孔和底孔,两侧各取半个表孔和底孔,深孔则为两个整孔,模型比尺为1∶60。

试验结果表明:深孔的泄流能力在设计工况下基本能满足设计要求。在各种水位下运行,底板、侧墙的压强均为正值,并随上游水位的上升而增大,整个深孔内的时均压强分布也比较均匀,无明显陡变现象,在出口突扩侧墙水流冲击区及其后的边壁上未见负压。

长江委设计院除对深孔长管方案的水力学特性进行分析外,还对其结构、施工工期与造价等方面进行了分析与计算,综合各方面的分析结果后他们认为:

深孔长管方案在布置、结构、水力学和施工等方面,技术上是可行的。与短管方案相比较,结构上各有利弊:长管方案将工作弧门从坝内移到坝后,坝体结构简化,但弧门的支承结构比较复杂,难度较大,且在运行时存在振动、雾化影响等问题;水力学方面,对工作弧门采用突扩止水,长管方案较为有利,但下游的河床冲刷情况稍有恶化;施工进度上长管方案稍为有利;长管方案钢衬和钢筋用量增加较多,加大了施工难度,造价也增加较多。据文献[2]估算,约增加2.31亿元。

由于长管方案研究时间较短,在布置、孔口体型、水力学和结构设计等方面尚需作进一步优化,与短管方案相比较,总的说来各有利弊,而施工详图出图在即,如确定采用长管方案,供图时间将比短管方案相应至少推迟半年。因此,最终采用了短管方案。