推荐长管方案的水力学试验结果优化

长有压管方案经过大量优选试验,提出了上述推荐方案(见图6.18和图6.19)。对这一方案进行了全面的水力学试验,包括截流落差、泄流能力、流态、下游衔接、消能冲刷以及压强分布、空化特性等。

(1)截流水位落差。整体模型试验显示,当截流流量为9010m3/s时,截流水位落差满足设计要求。见图6.20和表3.1。

(2)泄流能力。泄流能力试验结果见图6.21曲线及表2.4。在截流期间,上游水位低于70.0m,长管内水流基本为明流状态,仅在出口压坡段附近水流封顶,形成明满流过渡状态,但流速较低,运行时间不长;在初期蓄水过程中,上游水位70.0～95.0m时,长管水流为淹没有压流,流量系数μ=0.83～0.86,上游水位在95.0～140.0m时,为自由出流的有压流,流量系数μ=0.86。

根据水文资料得知,在导流底孔运用期间,可能经历的洪水如下:12～4月上游水位低于85.0m,最大流量17600m3/s;5月份20年一遇洪水位97.5m,总流量30100m3/s;发电度汛期20年一遇设计洪水位135.0m,总流量72300m3/s;百年一遇校核洪水位不超过140.0m。

从试验结果可见,底孔长管方案的泄流能力可以满足上述要求。

(3)流态描述。当上游水位低于70.0m时,由于进口段为堰流,下游出口淹没,长管内为明满流过渡流态,反弧段内呈波状水跃,见图6.22。当上游水位在70.0～80.0m时,长管内为有压流,出口仍被淹没,旋滚发生于反弧段内,并前后摆动;当上游水位在80.0m以上时,旋滚被推出鼻坎之外,底孔出口转为自由出流。

图6.21　底孔长管方案泄流能力曲线

图6.22　底孔长管方案截流时的流态描述(单位:m)

(a)上游水位69.71m;(b)上游水位69.41m
(注:流量Q=9010m3/s,三斗坪水位66.30m)

在水库蓄水过程中,上游水位逐渐上升至135.0m,为了保证下游通航,仅需下泄3410m3/s,由于下游水位较低,上游水位超过80.0m以上,旋滚一般均可推出鼻坎。

蓄水发电期间,上游水位135.0m,由于深孔参与泄洪,下游三斗坪水位较高。根据局部模型试验,上游水位在135.0m以下,底孔单独运行时坝趾水位低于三斗坪水位6.0～7.0m;深孔与底孔联合运行时,坝趾水位低于三斗坪水位9.0～10.0m。坝趾水位对反弧上的旋滚位置有直接影响。在整体模型试验中可见,底孔与深孔联合运行时,总泄量达72300m3/s,中间16孔的坝趾水位高达70.0m左右,旋滚进入鼻坎,并前后摆动,但不致撞击闸门及支铰。两侧边孔由于受下游回流影响,坝趾水位比中间孔略高,特别是1号及22号两个边孔,曾采用与2～3号和20～21号孔挑角、高程均相同的方案进行试验,坝趾水位可高达73.0m,旋滚跃头常常摆动至有压管出口处,撞击出口顶壁,流态很坏。因此将两个边孔挑角加大至25°,鼻坎顶高程相应提高到58.59m(见图6.18和图6.19),流态有所改善,见本书第3章中的3.2.4节,但仍未得到彻底解决,在运用过程中尚需加以注意。

(4)压强分布与空化特性。经过时均压强量测和1/40比尺的减压模型试验,底孔长管方案压强分布曲线见图6.23。事故门槽附近的参考水流空化数σ=1.77,远大于该种门槽体形的初生空化数。出口下游明流段在上游水位135.0m时,旋滚完全推出鼻坎的工况下,最小水流空化数σ为0.35。当淹没度加大时,反弧段时均压强将大幅度提高。(www.xing528.com)

图6.23　底孔长管方案压强分布(单位:m)

(a)管顶部中心线沿程时均压强分布;(b)管侧面中心线沿程时均压强分布

减压模型试验量测了上游水位128.0～140.0m的噪声声级差,分析了各主要部位的空化特性,认为进口顶缘、侧壁未发生空化水流;事故门槽区域尚未达到空化初生;挑鼻坎处在上游水位128.0～135.0m时,亦未及空化初生,在上游水位140.0m时,刚达空化初生。因此,上述长管体形的空化特性尚可。只要严格控制施工质量,在各种运行工况下都不至发生空蚀破坏。

(5)冲刷试验。在单孔、双孔模型试验和整体模型试验中,下游均设动床研究冲刷情况(见图6.24)。1～18号坝段各类试验结果比较一致,但在19～22号坝段,即右导墙一侧,仅在整体模型中可见较大的突扩回流,淘刷严重,危及大坝安全。试验发现,加大右侧边孔鼻坎挑角可以减轻回流淘刷作用,当22号孔鼻坎挑角由10°加大到17°和25°时,右侧坝趾附近的淘刷最深高程可由12.0m抬高到24.6m和30.0m,因此将22号孔鼻坎挑角选为25°,相应鼻坎顶高程提高到58.59m(见图6.19);除此之外,在17号孔以右的坝趾下游46.0m范围及右导墙左侧桩号20+151m开始约至20+360m宽15m范围内,设置防淘护坦;右导墙冲刷最深位置开挖防冲槽,最深至30.0m高程,回填混凝土,形成防冲墙。这些措施可以保证大坝基脚及右导墙基脚的安全(见图2.2)。

图6.24　底孔长管方案底孔、深孔联合运行冲刷试验流态描述(单位:m)

(注:上游水位135.0m,三斗坪水位75.9m,流量Q=67500m3/s;虚线为冲刷前河床面)

(6)防止泥沙和围堰残渣磨损的研究。从三峡坝址多年泥沙含量分析,推移质数量很小,而且导流底孔运行时间仅3年,上游水位仅为135.0m,推移质还达不到坝址。泥沙粗颗粒主要来源于围堰拆余部分。

上游围堰拆除高程为57.0m,略高于底孔进口底板高程56.0m。整体模型试验测得底孔内及坝前各部位流速情况:在上游水位79.7m时,上游围堰顶(坝前350m断面)流速最大值达2.57m/s,且随上游水位增高而减小,坝前20m处底部流速为1.17m/s,门槽处平均流速为10.8m/s,随上游水位增高而加大。当上游水位达135.0m时,围堰顶最大流速为1.18m/s,坝前20m处最大底部流速为1.78m/s,门槽处平均流速高达22.8m/s,见表6.3。

根据经验公式估算1.18～2.57m/s流速可启动粒径为5～15cm的砾石,因此,围堰处的石渣有可能进入导流底孔内造成泥沙磨损,需要采取措施加以防范。设计部门决定在围堰下游侧用块石保护堰面,石块直径大于40cm;在坝前预挖40m宽的拦沙石槽,底部与坝基同高程,总拦截容积超过60万m3;同时严格控制底孔施工质量,限制放样误差和不平整度,以减少磨损和防止空蚀破坏。

表6.3　底孔内及坝前各部位流速分布