五一水庫工程深孔底流消能水力學(xué)問題研究

陳 蕾

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000)

五一水庫工程深孔底流消能水力學(xué)問題研究

陳 蕾

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000)

迪那河五一水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪洞、發(fā)電洞和供水管線等主要建筑物組成，水庫正常蓄水位1 370.0 m，最大壩高102 m，總庫容0.968億m3，調(diào)節(jié)庫容0.51億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。通過新疆迪娜河五一水庫泄水建筑物整體水工模型試驗(yàn)，論證導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口消能的合理性，對(duì)消力池體型進(jìn)行優(yōu)化，由試驗(yàn)研究得出方案，實(shí)際運(yùn)用表明，效果達(dá)到試驗(yàn)要求。

導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞;消力池;體型優(yōu)化;柵條;底流消能;水力學(xué)

1 工程概況

迪那河五一水庫樞紐工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺(tái)縣群巴克鄉(xiāng)境內(nèi)，距輪臺(tái)縣以北40 km。水庫工程由大壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪洞、發(fā)電洞和供水管線等主要建筑物組成，水庫正常蓄水位1 370.0 m，最大壩高102 m，總庫容0.968億m3，調(diào)節(jié)庫容0.51億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。

2 導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞布置

導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞前期作為導(dǎo)流洞，后期作為永久泄洪沖砂洞，布置在左岸，導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞采用工作門豎井前為有壓洞、工作門豎井后為無壓洞的布置形式，由進(jìn)口引渠段、事故門閘井段、壓力隧洞段、工作門閘井段，無壓隧洞段、擴(kuò)散段、出口消能段及護(hù)坦段組成。出口擴(kuò)散段長71.2 m，擴(kuò)散角7.2°。出口消力池長85.0 m，寬16.0 m，消力池深 8.4 m，池高18 m。消力池后接30.0 m長、16.0 m寬護(hù)坦。

導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞設(shè)計(jì)工況下泄流量759 m3/s，校核工況下泄流量773 m3/s。為了得到各工況深孔導(dǎo)流洞進(jìn)口進(jìn)水塔、工作門閘井過流斷面流態(tài)及流速等情況，試驗(yàn)選取200 m3/s、402.86 m3/s(初期導(dǎo)流量)、474.97 m3/s(后期導(dǎo)流量)、設(shè)計(jì)水位流量及校核水位流量等5個(gè)典型流量進(jìn)行試驗(yàn)。由水力學(xué)試驗(yàn)情況可以看出，導(dǎo)流洞消力池內(nèi)無論是大流量還是小流量流態(tài)總體不穩(wěn)，小流量水躍位置靠前，水流跳躍飛濺，大流量池內(nèi)水流壅高、波動(dòng)較大，水流濺出池外較多，因此在前期試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)消力池的體型進(jìn)行了優(yōu)化。包括調(diào)整池深、池寬、池長及加?xùn)拧⒔档妥o(hù)坦等不同措施。

3 出口消力池體型優(yōu)化

3.1 消力池后變底坡

導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞在大流量時(shí)消力池出口水流收縮產(chǎn)生局部壅水，在下游彎段處跌水，水流連接極不平順，偶爾水流溢出邊墻，為了消除水流不穩(wěn)定現(xiàn)象，促使池內(nèi)水流與下游平順連接，在設(shè)計(jì)工況下，對(duì)池后連接段的底坡進(jìn)行不同坡度調(diào)節(jié)，當(dāng)消力池坎頂?shù)灼抡{(diào)整為1∶8時(shí)(圖1)水流條件得到明顯改善，連接較為順暢。

圖1 導(dǎo)流洞消力池優(yōu)化布置方案

3.2 加深，加寬消力池

設(shè)計(jì)消力池邊墻高度18 m，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)工況消力池最大水深為20 m，校核工況下消力池內(nèi)最大水深為20.3 m。經(jīng)過變底坡優(yōu)化，水流銜接改善，但池內(nèi)水流流態(tài)變化不大，水流依然起伏不定，高出邊墻較多，改變消力池尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，由前面試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，水躍在池中混摻充分，水躍尾部未達(dá)到消力池末端，可見消力池長度足夠，改變消力池尺寸主要是池寬和池深，考慮地形和地質(zhì)條件，首先制定偏大方案:池加深2 m、加寬4 m，在設(shè)計(jì)水位條件下放水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)消力池內(nèi)最大水深基本與原設(shè)計(jì)邊墻高度持平，偶爾偏高，水躍躍前至渥奇段中部偏上，有水花濺起達(dá)到此處邊墻高，水流條件整體改善不大。

上面方案消力池加深水躍前移，躍前斷面靠前，造成渥奇段水深加大，繼續(xù)修改方案:池不加深、加寬4 m。在設(shè)計(jì)水位條件下放水試驗(yàn)，渥奇段水深略有降低，但水躍位置變化不大，消力池內(nèi)水流與前方案類似，最大水深也基本與原設(shè)計(jì)邊墻持平。

考慮在渥奇段末端加坎進(jìn)行消能，加一1.5 m高的跌坎，坎后水流混摻充分，池內(nèi)水面均低于原設(shè)計(jì)邊墻高，但渥奇段躍前斷面繼續(xù)向上游發(fā)展，水流波動(dòng)較大。

繼續(xù)減小池寬進(jìn)行試驗(yàn)，修改方案為:池加寬2 m、加深2 m、坎高2 m。水流在池內(nèi)波動(dòng)較大、水位壅高，渥奇段尾部水躍旋滾區(qū)較大，基本達(dá)到原設(shè)計(jì)邊墻高度。

不論池寬如何變化加池深作用不大，水躍躍前斷面還會(huì)繼續(xù)向上游運(yùn)動(dòng)，坎的作用也類似。因此對(duì)只加寬池寬度進(jìn)行試驗(yàn)，采取加池寬2 m的方案，在設(shè)計(jì)水位條件下放水試驗(yàn)，消力池內(nèi)后段水流平順，前段稍有紊亂，但水深基本保持在原設(shè)計(jì)邊墻高度，渥奇段水流常有水花濺起。

3.3 池內(nèi)加懸柵、降低護(hù)坦

通過以上調(diào)整消力池尺寸的試驗(yàn)證明，在池底不能加輔助消能工的前提下，要想達(dá)到理想的消能效果很難。因此將消力池內(nèi)加?xùn)艞l、下游護(hù)坦降低，水流條件改善、波動(dòng)幅度減小、水躍基本發(fā)生在池內(nèi)、池末端水流平穩(wěn)。

首先在消力池加16根柵條，后13根距離池底10 m，兩根之間距離5 m，前3根依次降低1 m，效果較好，水躍在池內(nèi)，水流穩(wěn)定。但在小流量時(shí)，水躍躍前斷面依然靠前，針對(duì)小流量問題，在之前又加了3～4條懸柵，同時(shí)把前面的6～7個(gè)柵條方向做了變化。由表1可見:在小流量時(shí)由于池內(nèi)水深較大，水躍躍前斷面基本在渥奇段中部，加?xùn)艞l后移躍前斷面的作用不大，但此時(shí)水流波動(dòng)較小，水流流態(tài)較好。在600 m3/s流量時(shí)加17根柵條的影響較大，水躍明顯后移。但在700 m3/s流量時(shí)加16根柵條就能滿足，在設(shè)計(jì)水位和校核水位情況下，加13根柵條就能滿足。在不同流量情況下調(diào)整柵條角度的試驗(yàn)表明，在大小流量時(shí)角度的變化對(duì)水躍位置的改變及水流流態(tài)的改變不大。

表1 柵條數(shù)量及位置對(duì)比表

4 消力池優(yōu)化方案的試驗(yàn)情況

經(jīng)過以上多次消力池修改方案試驗(yàn)，由于工程現(xiàn)場地形條件的制約，消力池寬度不能加太多，池深、池長的變化對(duì)消能效果影響較小，通過對(duì)比可以看出加?xùn)艞l方案較好，最終確定為加17根柵條、護(hù)坦降低0.9 m的優(yōu)化方案(圖2)。試驗(yàn)測試了該方案在設(shè)計(jì)水位和校核水位條件下的流態(tài)、流速、壓強(qiáng)、沖刷等情況。

圖2 導(dǎo)流洞消力池優(yōu)化方案布置

5 結(jié)論

為改善底孔出口消力池水流流態(tài)，在盡量減小工程量增加的前提下，對(duì)消力池的體型進(jìn)行一系列優(yōu)化方案，由反復(fù)試驗(yàn)研究確定的方案效果較好，按照池內(nèi)水深加上安全超高確定消力池邊墻，消力池池內(nèi)及渥奇段加?xùn)艞l，池后底板變坡，降低護(hù)坦。

［1］吳戰(zhàn)營，牧振偉，潘光磊.導(dǎo)流洞出口消力池內(nèi)設(shè)置懸柵消能工試驗(yàn)研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011(04):39-41，104.

TV135

A

1007-7596(2012)09-0020-02

2012-09-03

陳蕾(1978-)，女，吉林延吉人，工程師，從事水電建設(shè)施工工作。