拱坝挑流坎的优化与水垫塘底板压强研究

第９卷第５期　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．５　２　０　１　１年１　０月　水利与建筑工程学报　０ｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　０ｃｔ．．２０１　１　拱坝挑流坎的优化与水垫塘底板压强研究　洪　新　，刘亚坤２，倪汉根２　（１．新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐８３００００；２．大连理工大学水利工程学院，辽宁大连１１６０２４）　摘要：试验研究了拱坝挑流泄洪时优化闸墩墩尾形状对水垫塘底板上最大冲击压强的影响，结果表　明对减小冲击压强有显著效果；从力学观点出发，构造了对水垫塘底板上相对最大冲击压强的表达式，　其中包括四个参数，它适用于等宽挑坎和扩散坎，用２８个工程实测数据进行了拟合，实测值和计算值的　相对误差在可接受范围内。　关键词：拱坝泄洪；墩尾优化；水垫塘；底板压强　中图分类号：ＴＶ６５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１１４４（２０１１）ｏ５—Ｏ０７７—０５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ａｒｃｈ　Ｄａｍ’Ｓ　Ｂｕｃｋｅｔ　ａｎｄ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｏｎ　Ｃｕｓｈｉｏｎ　Ｐｏｏｌ　Ｆｌｏｒ　ＨＯＮＧ　Ｘｉｎ１ＬＩＵ　Ｙａ．ｋｕｎ２ＮＩ　Ｈａｎ—ｇｅｎ：　，，（１．　ｎ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＷａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，Ｗｕｌｕｒａｎｑｉ，￣＠ａｎｇ　８３００００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｌｉａｎ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１１６０２４，Ｃｈ／ａｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｍａｄｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｐｉｅｒ　ｔａｉｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｍｓｓｕｍ　ａｃｔｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｕｓｈｉｏｎ　ｐｏｏｌ　ｆｌｏｏｒ　ｗｈｅｎ　ａｒｃｈ　ｄａｎａ　ｏｖｅｒｆｌｏｗｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｖｉｅｗ，ｔｈｅ　ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｎ３　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｕｓｈｉｏｎ　ｐｏｏｌ　ｆｌｏｒ　ｉｓ　ｄｅｖｉｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎ－　ｃｌｕｄｅｓ　ｆｏｕｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕａｌ　ｗｉｄｔｈ　ｂｕｃｋｅｔ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ｂｕｃｋｅｔ．Ｂｙ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　２８　ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｅｒｒｏｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕ￣ｄ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｉｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｌｌｏｗｅｄ　ｒｎａｇｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｏｏｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ｏｆ　ａｒｃｈ　ｄａｍ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｅｒ　ｔａｉｌ；ｃｕｓｈｉｏｎ　ｐｏｏｌ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｏｎ　ｆｌｏｏｒ　Ｏ引　言　１优化墩尾，降低水垫塘底板的冲击　坝身泄洪是峡谷区拱坝最为经济的一种泄洪消　压强ｌ１　Ｊ　能方式，并在我国采取了“分区泄洪，分散出流，加固　某水利枢纽工程表孔和深孔泄洪布置平面如图　河床，设置水垫塘消能”的综合消能措施。挑跌流或　１所示。表孔共三孔，堰顶高程为６３５．００　ｍ，孔净宽　跌流一水垫塘是拱坝泄洪中最为常见的一种衔接方　１０．０　ｍ。中孔出口挑坎高程６２６．４８３　ｍ，挑角０。，两　式。本文结合某水利枢纽工程拱坝设计及水工模型　边孔的出口挑坎高程为６２６．３０５　ｍ，挑角５。，中墩厚　试验，介绍优化挑流坎的形体降低水垫塘底板冲击　３．５　ｍ，边墩厚３　ｍ。深孔为明流出口，宽６．０　ｍ，出　压强的设计方案，并对水垫塘底板冲击压强进行了　口挑坎高程为５８５．００　ｍ，挑角５。，二道坝在坝轴线下　较深入的探讨，建议了估计水垫塘底板冲击压强的　游１５０　ｍ处，坝顶高程为５７５．００　ｍ，在水垫塘底板设　经验公式，用２８个工程的试验数据进行了拟合，符　３６个测压传感器，其布设位置见图１。进行了三种　合良好。　挑坎布置的试验，实测结果列于表１。　收稿日期：２０１１—０８—０２　修稿日期：２０１１－０９－０５　作者简介：洪新（１９７１一），男（汉族），重庆永川县，高级工程师，主要从事水利工程设计。　７８　水利与建筑工程学报　第９卷　翻攫　镐　Ｅ口　『　｜、　　Ｉ１１ｎｎｎ　＼＼．。　。６。　。　。　．３／０。。楗．　妇　ｓ］　　’　Ｉ　，　１　　ｌ坝０＋０４０　ｏｏ　Ｉ　｜　Ｆ｜＼　１：ｏ　童　至　Ｉ＼　ｌ　　目Ｉ　　１　ｌＩ｜　１：　Ｄ　５　善　Ｐ　『⑩　２　１：Ｏ．！　三　＿　一遥　昌　＼　ｌＹ５Ｏ２　１三　：！　＝ｌｊ　｜　１　）５　三　堇２　’　ｌｑ　＼ｌ　芊　１７０００『９　３　４　坝０＋０８０　Ｏ０　＝０　羹　Ｉ　二＼　ｌ７　ｃ　！ｏ　０１　５０００　目　（　ｉ　１：　兰　＼　坝０＋１Ｏ０　Ｏ０　４　　’１：Ｏ：　／　目　Ｉ＠　１　ｌ＠　Ｉ亡　　、．１　５０００　珊＝＝＝＝　二二　ｌ２（）ｏ０　５　］　＿－＝　：０　目　　１＝　　国’　Ⅶ　ｅ　’　目　Ｉ７　。。　１：０　５　５　一　坝Ｏ＋１　３０　Ｏ０　坝０＋１４０　Ｏ０　６　６　：　０　＝　目　羹　ｌＩ　翻固昌　＿　｝＝　　５　１：０｛—　—　Ｉ　　ｌ—一　图１　某水利枢纽工程泄洪布置及水垫塘底板测压点位置　表１不同方案水垫塘底板测压点压强水头值　测点号　Ｐ　１　２　３　４　５　６　７　８　９　方案１　方案２　方案３　１３・６４３　１２．５４６　１２８３６　．１４・３６３　１３．２５６　１４．６１６　１４・１０４　１３．６２８　１４．０１４　１４－２００　１３．４８２　１４．７５８　１３－３８６　１２．７５７　１３．２２２　ｌ４・１１０　１３．０５０　１４．０９５　１４・３５９　１２．４６６　１３．９６９　１１．７０２　１２．８８２　１５．３５４　１２・４１４　１１．９４０　１２．２４２　／ｍ　测点号　Ｐ　１０　１１￣・５５０　１０．０７０　１１０８５　．ｌ１　１３・６１４　１０．８２７　１２．２６４　１２　１６・８７１　２０．８６５　１１．０８５　１３　１１．６９２　１１．６７５　９．９１７　１４　２８・１１９　２３．５８３　２３．４７２　１５　４４・５３１　３１．４０５　２９．８３９　１６　２１・９８８　２８．７９９　２６．４７２　１７　１２・７１８　１０．７５９　１１．９３３　１８　１３・３９２　１０．６１７　１０．９６４　方案１　方案２　方案３　测点号　／　１９　２０　２１　２２　２３　２４　２５　２６　２７　Ｐ　方案１　方案２　方案３　测点号　１３・９３１　１２．２８４　１４３４１　．９・４７０　８．４７６　１２．９５９　１２・６７７　１０．５９１　９．７３４　１５・６６７　１３．５６８　１０．１４０　１１・０７５　８．９１７　１０．４１４　１０・１９９　８．８８３　１１．４５８　１３・３４４　１３．８０９　１１．６６７　１５・４７１　１２．７７０　１１．５７６　１１．８８７　１０．２８６　１０．７９２　／　２８　２９　３０　３１　３２　３３　３４　３５　３６　第５期　洪新，等：拱坝挑流坎的优化与水垫塘底板压强研究　７９　原方案的闸墩均为平尾墩，常规挑坎，在校核水　的估计式。　位６４７．２１　ｍ时，最大压强值在１５　测点，其值为　（　）　＝４３．５１２　Ｉｎ，水垫塘平均水深ｈ　＝１４．９２４　ｍ，　（　）　一ｈ　＝２８．５８８　ｉｎ，远大于常用的限定指标　Ｃｏｌａ（１９６６）基于动量守恒原理，给出了估计水舌　冲击压强的第一个公式：　ＪＰ　一ｐｇｈ　：　（１）　１５．０　ｉｎ。但１４　、１６　测点的压强比１５　测点的压强　式中：Ｐ　是最大冲击压强；ｈ　是水垫塘水深；　是　小的多，所以可以判断，１５　测点的高压强主要是由　于三表孔的水流向心加强了水舌问的相互作用，因　此提出了第二方案。　第二方案的中孔采用宽尾墩，收缩比为０．７；左　边墩的右墩也采用宽尾，形状和中孔相同，目的是隔　离水舌，减小相互作用。实测的压强分布见表１。　在校核库水位６４７．２１　ｍ时，最大压强值也在１５　测　点，其值为（三）一＝３１．４０５　ｉｎ，ｈ　＝１４．９２４　ｉｎ，　（　）　一ｈ　＝１６．４８１　ｍ，仍略大于常用的限定指标　１５．００　ｍ。　第三方案与第二方案的差别在于深孔的墩型，　在第二方案中，深孔的闸墩为常规平尾墩，在第三方　案中改成宽尾墩，收缩比也为０．７。这样修改的原　因是：因为深孔与右表孔的交角约为８。，且在库水位　４６７．２１　ｍ时深孔的泄量为９９３．５９　ｍ３／ｓ，大于右表孔　的泄量７９６．２９　ｍ３／ｓ，所以深孔水舌的动量有可能迫　使右表孔水舌右移，加强了右表孔和中表孔的相互　作用。据此，把深孔出口闸墩改为宽尾墩，修改后的　实测水垫塘底板压强列于表１，这时最大压强仍在　１５　测点处，但（）ｍａｘ＝２９・８３９　ｍ，（　）一一　＝　Ｐ　ｇ１４．９２４　ｍ，小于１５．００　Ｉｎ。　由上可知，当拱坝多孔挑流泄洪时，采用不同的　挑坎出口墩尾形状，是有效降低水垫塘底板压强的　一种工程措施。　２水垫塘底板冲击压强的估计　拱坝挑流一水垫塘衔接时，一个关键问题是选　择水垫塘的水深、二道坝的高度，而它的制约条件是　水垫塘底板的冲击压强，因此设计者需要一个简单　的水垫塘底板冲击压强的估计式。　自２０世纪６０年代以来，有不少人研究过这个　专题［　，包括采用水力模型试验和数值模拟研究　时均压强、脉动压强以及水垫塘底板的稳定性和水　垫塘的冲刷。本文综合了国内外部分已发表的水垫　塘底板实测压强，给出了一个水垫塘底板冲击压强　水舌到达池底的速度；ｔ　是水舌厚度；　ｇ分别是水　的密度和重力加速度；　是需用试验数据拟合的一　个系数。但是Ｃｏｌａ（１９６６），Ｈａｒｔｕｎｇ和Ｈａｕｓｌｅｒ（１９７３），　Ｅｒｖｉｎｅ（１９７７）以及Ｐｕｅｒｔａｓ（２００５）等研究者得到的　值约为３．８～８．０，显然，　值的变化范围太大，说明　式（１）的构造不是很好。　文献［４］基于淹没射流理论，构造了估计水垫　塘底板最大冲击压强的式（２）：　詈一ｈｔ＝丢　｛√　ｃ　式中：　是水舌和水垫塘的交角；ｅ是需由试验数据　拟合的系数，但经若干试验数据拟合后得到的ｓ变　化范围为０．０９～０．６９，显然，式（２）的构造也不能令　人满意。　文献［２］认为水垫塘中的水垫可分为两种情　况：无效水垫和有效水垫。若水垫塘形成无效水垫且　形成水跃，那么水舌冲击底板之前只有很小的能量　损失，底板上的冲击压力就大。　从力学观点及文献［２］的意见出发，本文构造　了估计水垫塘底板最大冲击压强的式（３）：　＝　唧（　［１＿ｓｉｎａ）Ａ３］＋　乏ｔｈ（４　）　（３）　式中：　～　４是需由试验资料拟合的待定系数；ａ　＝ａ，＋０ｆｆ（ａ　、ａｆ分别是扩散坎右、左墩的扩散角，ａ　是总扩散角），式（３）只适用于等宽挑坎和扩散型挑　坎。　式（３）中包含了四个参数，（　一ｈｔ），　，　和　ａ。若　很大，那么　Ｅｈｔ，这是协调的，（　一　。ｈ　）－１及ａ反映了坝高及扩散角对Ｐ一的影响，式　（３）显示在同样的坝高和流量下，等高挑坎的Ｐ一　大于扩散坎的相应值。　为明确起见，对ｈ　的计算方法规定如下：　对等宽挑坎：　水利与建筑工程学报　ｇ　第９卷　：　（｛一　２　。呲　—ｃ。ｓ一－（１—１３．５　）］）ｎ　２ｇ—ｇ　　一　一Ｅ　。一　　．＝　＝　ｇｌ是出坎时的单宽流量；Ｆｒｃ是水舌到达水垫塘底收　缩断面的弗劳德数。　对扩散坎：　棚（４）　一　（｛一号ｓｉｎ　／Ｉ＂一ｓ．１（　＿ｌ３．５　ｑ￣ｏｏｓ２０　酉　Ｅ１＝研一Ｈｂ　＝—　（　｛　ｉｎ　。。　＋　。。。　／　：　１＝　＝＿　）　（５）　ｂ２＝ｂ１＋Ｌｔａｎ（ａ　＋口ｆ）　。＝Ｅ。（吉一号ｓｉｎ［詈一ｃ。ｓ一　（１—１３．５　）］）　ｇ　＾　：　，，：ｈ　ｃ（￣－Ｉ　８Ｆｒｃ２—１）　式中：０是挑坎的倾角；Ｈｂ是挑坎坎顶高程；　ｌ是出　坎流速；ｈ１是坎顶水深。　用２８个在各种不同条件下测得的试验数据拟　合得　Ａ１—１００ｍ，Ａ２　１．１，Ａ３　０．４０，Ａ４　０．７　通常，水垫塘底板上的测压点位置是固定的，它　们的位置不一定与水舌到达底板时的驻点一致。因　此在实践中很难捕捉到最大压强值，加大了试验结　果的离散程度。　（６）　３结论　从而可写出Ｐ一的估计式　＝　ｈｔＯｔｎＬ唧（＿１．　）．［　一（ｓｉｎａ）　（１）在研究某水利枢纽工程拱坝的泄流方案　时，模型试验表明适当优化墩尾的形状，对减小水垫　　（７）　塘底板上的最大冲击压强有良好的效果。（２）从物理观点出发，构造水垫塘底板上相对　最大冲击压强的表达式，其中包括四个参数：（　一　Ｌ　厶　可．７ｈ￣．）　Ｐｍ　９，．ｘ的实测值与式（７）的计算值对比见表２，对于研　究的问题，相对误差在可接受的范围内。表２中的前　１５个Ｔ程　椐取白　南ｊ｝Ｆ４１　ｈ　）～，　，　和ａ，它适用于等宽挑坎和扩散坎。用　凸Ｏ　ｔｔｃ　２８个工程实测数据进行了拟合，实测值和估计值的　相对误差，对所研究的问题在可接受的范围内。　第５期　洪新，等：拱坝挑流坎的优化与水垫塘底板压强研究　８１　参考文献：　［１］　刘亚坤，等．某水利枢纽工程混凝土拱坝泄流水工模型　试验报告．布尔津山口一科研一水力学一５［Ｒ］．大连：　大连理工大学，２０１０，１２：１０４—２５４．　［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｅｒ．Ｂ，１９９９，１１（２）：３２—３７　（Ｄ　ｎｔｅｄ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ）．　［７］　Ｌｉｕ　Ｐｅｉ—ｑｉｎｇ．Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ　ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ　ｊｅｔｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ａ　ｆｉｎｉｔｅ　ｗａｔｅｒ　ｄｅｐｔｈ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ｓｅｒ．Ｂ，２００２，（３）：４０—　４３．　［２］刘沛清，高季章，李永梅．高坝下游水垫塘内淹没冲击　射流试验［Ｊ］．中国科学，１９９８，２８（４）：３７０—３７７．　［３．ｊ　Ｐｕｅｒｔａｓ　Ｊ，Ｄｏｔｚ　Ｊ．Ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｆａｌｌｉｎｇ　ｒｅｅｔ—　［８］　Ｘｕ　Ｗｅｉ—ｌｉｎ，Ｌｉｕ　Ｓｈａｎ－ｊｕｎ，ｅｔ　ａ１．Ｎｍｎｅｒｉｅａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆ　ｏ３　一Ｄ　ｌｆｏｗ　ｉｆｅｌｄ　ｉｎ　ａｒｃｈ　ｆｏｒｍ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌｌＪ　Ｊ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｙ—　ａＪ１ｇｕｌａｒｊｅｔ［Ｊｊ．Ｊｏｕｒｎａ１．Ｈｙｄｒ．Ｅｎｇ，２００５，１３１（５）：４０４—４０７．　［４］倪汉根，刘亚坤．击波・水跃・跌水・消能［Ｍ］．大连：大　连理工出版社，２００８：２７３—７９．２　ｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ｓｅｒ．Ｂ，２００２，（３）：１０６—１１０．　［９］　Ｐａｇｌｉｒａ　Ｓ．Ｈａｇｅｒ　Ｗ　Ｈ．Ｈｙｄａｒａｕｌｉｃｓ　ｏｆ　ｐｌａｎｅ　ｐｌｎｇｅ　ｐｏｏｌｕ　ｓｃｏｕｒ［Ｊ］．Ｊｏｍｎａｌ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｌｉｕｃ　Ｅｎｇ，２００６，１３２（５）：４５０—　４６１．　［５］Ｅｒｖｉｎｅ　Ｄ　Ａ，Ｆａｌｖｅｙ　Ｈ　Ｔ，Ｗｉｔｈｅｒｓ　Ｗ．Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｌｆｏｏｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ　Ｒｅｓ，１９９７，３５　（２）：２５７—７９．２　［１０］　Ｃａｎｅｐａ　Ｓ，Ｈａｇｅｒ　Ｗ　Ｈ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｉｒ　ｊｅｔ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｎ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ￣ｏｕｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇ，２００３，１２９（５）：　３５８—３６Ｓ　［６］Ｇｕｏ　Ｙａ—ｋｕｎ，Ｌｕｏ　Ｍｉｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｅｃｔｓ　０ｆ　ａｉｒ　ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ　ｏｎ　ａ　ｐｌａｎｅ　ｊｅｔ　ｄｉｆｕｓｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ