某水庫(kù)泄流出口消能方案模型試驗(yàn)研究

呂會(huì)嬌 禹勝穎 袁淮中 蘇 通

1 工程概況

某水庫(kù)是某地區(qū)城鄉(xiāng)飲水安全水源工程主調(diào)節(jié)水庫(kù)，總庫(kù)容2 533萬(wàn)m3，其中調(diào)節(jié)庫(kù)容2 300 萬(wàn)m3。泄流建筑物主要由輸泄水塔、泄水隧洞及泄空管道三部分組成。

輸泄水塔位于水庫(kù)左岸，正常供水水位同水庫(kù)正常蓄水位1 874.50 m，最低供水水位同水庫(kù)死水位1 837.00 m。取水塔進(jìn)水側(cè)在1 862.00、1 849.00 和1 836.00 m 分別設(shè)置3 扇進(jìn)水閘門(mén)，取水塔出水側(cè)設(shè)控制閘門(mén)1 扇。泄水隧洞總長(zhǎng)240 m，為DN2 200 mm 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)口底部高程為1 831.50 m，出口底部高程為1 829.10 m。泄水隧洞后接243.3 m 長(zhǎng)DN1 600 mm 泄水鋼管，進(jìn)口底部高程為1 829.10 m，出口底部高程為1 809.53 m。

出口消能布置：DN1 600 mm 泄空管后按3 根DN1 000 mm 分支管，分支管垂直伸入消力池中，分支管末端設(shè)消能孔，讓水流噴射于消力池中進(jìn)行消能，再經(jīng)二級(jí)消力池與尾水渠相接。

2 模型的設(shè)計(jì)與制作

2.1 模型設(shè)計(jì)

對(duì)于管道出口的水流，其運(yùn)動(dòng)主要是受重力和慣性力的影響，所以按弗汝德數(shù)相似準(zhǔn)則即重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備所能提供的最大水頭，并結(jié)合市場(chǎng)上可選的有機(jī)玻璃管直徑情況及試驗(yàn)要求，選定模型比尺為λL=λH=16，流量比尺：，流速比尺糙率比尺：，時(shí)間比尺：

2.2 模型制作

模型范圍從消能總管末端前約30 m 開(kāi)始，至消能建筑物末端結(jié)束，全長(zhǎng)約150 m。原型泄水管及支管均為鋼管，要求模型糙率為0.006 9，模型采用有機(jī)玻璃管制造，糙率為0.008；消力池采用水泥抹面，糙率為0.008 8；流量采用電磁流量計(jì)量測(cè)；流速采用多功能智能流速儀測(cè)量；水位測(cè)量采用水準(zhǔn)儀和活動(dòng)測(cè)針。模型的放線精度及制作安裝精度符合SL 155—2012《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》的要求，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程也按照上述規(guī)范進(jìn)行。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 原方案試驗(yàn)成果分析

在4 種泄洪工況（Q=30 m3/s、Q=20 m3/s、Q=15 m3/s、Q=10 m3/s）條件下，通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)體型水流流態(tài)、水面線、沿程流速分布以及消能情況的試驗(yàn)成果分析，原設(shè)計(jì)方案存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）支管末端開(kāi)孔的豎管噴射后消能效果不佳，出水孔口參數(shù)設(shè)計(jì)不合理；（2）消力池內(nèi)的流態(tài)紊亂，消能效果不理想，尾水渠內(nèi)流速較大。

3.2 原設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

3.2.1 消能器出水孔口參數(shù)的確定

支管長(zhǎng)1.8 m，孔徑為1 m，采用梅花形布置。支管上出水孔口選擇7 mm、9 mm 孔徑（模型）進(jìn)行多組調(diào)試。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)分析，采用出水孔徑7 mm 為最佳，確定流量為30 m3/s 時(shí)的消能器支管上出水孔口參數(shù)見(jiàn)表1。開(kāi)孔方式如圖1 所示。

表1 消能支管出水孔口參數(shù)表

3.2.2 消力池的優(yōu)化

（1）取消第一級(jí)消力坎，在此處安裝兩個(gè)導(dǎo)流墩，兩導(dǎo)流墩間隔處安裝消能格柵，導(dǎo)流墩上安裝蓋板，扭面段及下游渠道安裝消能墩。

（2）加高第二級(jí)消力池坎至1.7 m。

圖1 豎管出水孔口布置圖（單位：mm）

3.3 優(yōu)化方案的試驗(yàn)成果

3.3.1 各支管分流比

各封閉支管中流量用傳統(tǒng)方法不易量測(cè)，本試驗(yàn)采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行量測(cè)。泄放30 m3/s 的流量時(shí)，經(jīng)量測(cè)各支管流量總和與控制流量的電磁流量計(jì)顯示數(shù)據(jù)一致。3 只支管的分流比為1∶1.3∶1.4（8.11∶10.54∶11.35，單位：m3/s），靠近總管末端值最大。

3.3.2 流速、流態(tài)及水面線

泄放30 m3/s 的流量，庫(kù)區(qū)水位穩(wěn)定后，測(cè)得水庫(kù)水位低于正常蓄水位。對(duì)消力池及尾水渠的流態(tài)、流速和水面線進(jìn)行了量測(cè)。圖2 為優(yōu)化方案的水面線和流速分布圖。

圖2 優(yōu)化方案的水面線和流速分布圖

水流經(jīng)各支管末端開(kāi)孔的豎管噴射出后，射出水流在水下紊動(dòng)碰撞，消力池中水位迅速升高，消力池內(nèi)水面波動(dòng)較大；消力池內(nèi)最大水面高程達(dá)1 813.74 m，第二級(jí)消力坎坎上水頭1.22 m。水流在二級(jí)消力坎后形成水躍泄向下游。兩側(cè)邊墻滿足最高水位要求。

圖3 為實(shí)測(cè)扭面下游16 m 斷面處流速分布圖。增加消力墩后，由于渠道加糙使水深增大，下游渠道流速明顯減小，實(shí)測(cè)扭面下游16 m 處最大流速為3.80 m/s，尾水渠內(nèi)流速分布呈現(xiàn)兩側(cè)大、中間小，表流速大、底流速小的特點(diǎn)。

試驗(yàn)證明，增加導(dǎo)流墩、消能格柵以及消能墩，可有效降低渠道中的流速。

3.3.3 消能率

圖3 扭面下游16 m斷面處流速分布圖（單位：m/s）

通過(guò)試驗(yàn)可以看出：管道壓力水流通過(guò)噴孔淹沒(méi)噴射出流，在消力池內(nèi)水流劇烈紊動(dòng)碰撞，消去大部分能量，為計(jì)算消能率，以二級(jí)消力池底板（高程為1 810.13 m）為基準(zhǔn)面，對(duì)測(cè)量斷面和第二級(jí)消力坎斷面列能量方程，求得的消能效果見(jiàn)表2。

表2 消能效果表

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：壓力管道的水流通過(guò)支管與消力池由90°豎向彎管相連后，多噴孔淹沒(méi)對(duì)稱向四周噴射出流，水流在局部范圍內(nèi)紊動(dòng)碰撞，在消力池內(nèi)消耗了大部分能量，同時(shí)增加消能墩后的消能效果有所提高，消能率達(dá)到85%以上；由于噴孔射流在消力池內(nèi)旋滾的相互作用，亦能有效減少對(duì)消力池固壁的沖刷。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）水庫(kù)在壓力管道出口采用多噴孔無(wú)控制泄流的消能方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消能效率高，可行性強(qiáng)。

（2）壓力管道的水流通過(guò)支管與消力池由90°豎向彎管相連后，多噴孔淹沒(méi)對(duì)稱向四周噴射出流，水流在局部范圍內(nèi)紊動(dòng)碰撞，在消力池內(nèi)消耗了大部分能量，消能率達(dá)到85%以上，能保證水流平穩(wěn)地和下游銜接。

（3）通過(guò)采取增加導(dǎo)流墩、消能格柵以及消能墩的優(yōu)化方案，提高了消能效果，有效降低了下游渠道中水流流速。

（4）水庫(kù)壓力管道出口3 只支管的分流比為1∶1.3∶1.4，靠近總管末端值最大。消能器噴孔面積與支管截面積比為1.32，與展開(kāi)面積比（開(kāi)孔率）為18.3%。

（5）經(jīng)研究分析，開(kāi)孔率不變，隨著流量的減小消能率隨之降低。