沖擊墩、臺(tái)階與消能塘聯(lián)合消能的試驗(yàn)研究

杜凌云，劉亞坤

(大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連116024)

底流消能是利用在消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍進(jìn)行消能的一種傳統(tǒng)的消能方式，具有消能效率高、尾水波動(dòng)小、泄洪霧化影響小的特點(diǎn)，常常在工程中被采用[1]。

在消力池中加設(shè)各種消力墩作為輔助消能工，可以增進(jìn)消力池的消能效果，改善消力池中水躍的穩(wěn)定性[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于在消力池中加設(shè)不同形式的消力墩進(jìn)行了研究，并在實(shí)際工程中得到了良好的應(yīng)用[3－6]。高水頭溢流壩中常采用臺(tái)階進(jìn)行消能，在坡面上布置臺(tái)階，利用水流的翻滾在臺(tái)階面上形成一個(gè)個(gè)穩(wěn)定的漩渦，從而使水體表面大量摻氣，以達(dá)到減速、消能的目的，階梯消能工的發(fā)展歷史悠久，正以其顯著的優(yōu)勢(shì)效力于各種水利工程中[7－8]。而在消能塘內(nèi)或溢流堰末端的逆坡上對(duì)于利用臺(tái)階消能的研究尚少，某水庫(kù)輸水洞下游的消能塘末端采用了臺(tái)階式的布置，本文就其與未布置臺(tái)階的消能塘進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，以探索逆坡式臺(tái)階對(duì)消能塘消能效果的影響。

1 概述

1.1 工程概況

某水庫(kù)位于撫順市境內(nèi)，壩址處多年平均徑流量16.9 ×108m3。輸水洞主洞段長(zhǎng)度236.486 m，洞徑6.5 m，末端分為支洞1和支洞2，其中支洞1長(zhǎng)為136.694 m，洞徑6.5 m，泄量為180 m3/s(庫(kù)水位128.22 m);支洞 2 長(zhǎng)度為 150.14 m，分叉前洞徑為5.5 m，后部分叉為支洞 2－1和支洞2－2，洞徑均為4.0 m，出口前斷面尺寸收縮為2.25 m ×2.25 m，設(shè)計(jì)泄量為220 m3/s(庫(kù)水位128.22 m)。支洞2出口為反坡臺(tái)階式消能塘，平面尺寸為60.5 m×21.2 m，塘內(nèi)設(shè)有分水墩，消能塘前端底板高程為82.29 m，末端與下游尾渠相連，底板高程為 91.2 m，附近地面高程介于98.0 m～98.6 m之間。

1.2 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑罩亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，縮放比例為1∶30的正態(tài)模型[9]，模型的平面示意圖及剖面布置示意圖如圖1所示。入水口、輸水洞及消能塘段采用有機(jī)玻璃制作，下游河道段由砂漿制作，流速測(cè)量采用南京水科院生產(chǎn)的光電流速儀。

圖1 模型示意圖

2 消能方式研究

為探索在消能塘內(nèi)布置臺(tái)階對(duì)消能塘消能效果的影響，采取了兩種不同的布置方案，方案一為消能塘與沖擊墩聯(lián)合消能，方案二在消能塘內(nèi)加設(shè)臺(tái)階，此時(shí)即為沖擊墩、臺(tái)階與消能塘三者聯(lián)合消能。

方案一時(shí)消能塘內(nèi)布置如圖2，方案二時(shí)消能塘內(nèi)布置如圖3。

圖2 方案一布置圖

圖3 方案二布置圖

2.1 方案一試驗(yàn)結(jié)果

方案一時(shí)的試驗(yàn)工況組合如表1。

表1 方案一試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中觀察到，各工況下，方案一時(shí)塘內(nèi)水躍均為淹沒(méi)式水躍。底部水流波動(dòng)十分劇烈，表面翻滾紊亂。由于從輸水洞流出的底部水流以較大流速直沖向消能塘尾部，導(dǎo)致尾部水面大幅壅高，試驗(yàn)中測(cè)得消能塘末端與消能塘起始端高差在1 m～1.5 m 之間，消能塘末端出流流速在 5.19 m/s～5.75 m/s之間。由此可見消能塘內(nèi)水面極其不穩(wěn)定，入塘水流未得到充分的消能。當(dāng)庫(kù)水位為校核水位139.32 m時(shí)，消能塘起始端左右岸水面高差可達(dá)1.2 m，末端出流流速為 5.75 m/s。校核洪水位時(shí)消能塘內(nèi)水流流態(tài)及消能塘末端如圖4。

2.2 方案二試驗(yàn)結(jié)果

加設(shè)臺(tái)階后的消能塘作為本次研究的方案二，并采用與方案一相同的試驗(yàn)工況進(jìn)行研究。方案二校核洪水位時(shí)消能塘內(nèi)水流流態(tài)及消能塘末端流態(tài)如圖5所示。

圖4 方案一校核水位時(shí)流態(tài)

圖5 方案二校核水位時(shí)流態(tài)

試驗(yàn)中觀察到，各工況下，消能塘內(nèi)均形成淹沒(méi)式水躍，輸水洞出口處水流流速在18.57 m/s～22.01 m/s之間，由于輸水洞出口處水流沖力較大，致使消能塘前方底部水流產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng)。水流流經(jīng)塘內(nèi)沖擊墩后，底部水流經(jīng)反坡式臺(tái)階抬升，由于上升的臺(tái)階起到了對(duì)水流的阻擋和對(duì)下墊面加糙的作用，使得消能塘下游水面紊動(dòng)程度大幅下降，水體得到較充分消能，出流流速下降至3.54 m/s～4.06 m/s，最終流出消能塘?xí)r可與下游河道水流平穩(wěn)銜接[10]。

庫(kù)水位為126.4 m時(shí)，塘內(nèi)表面水流基本平穩(wěn)，無(wú)較大翻滾水浪，消能塘中部形成較弱逆時(shí)針回流，流出消能塘的流速為3.54 m/s。庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位136.63 m及校核洪水位139.32 m時(shí)，消能塘上游左右兩岸波浪對(duì)邊墻沖擊強(qiáng)烈，表面旋滾波動(dòng)劇烈，消能塘中部逆時(shí)針回流流速較大，經(jīng)臺(tái)階碰撞、沖擊后，消能塘下游水流減緩，可與下游河道水流平緩銜接，無(wú)二次水躍，流出消能塘的流速分別為 3.99 m/s、4.06 m/s。

2.3 方案一與方案二消能率比較

設(shè)輸水洞與消能塘連接處為第一斷面，消能塘與下游河道連接處為第二斷面。就這兩斷面對(duì)本文兩種方案的消能率 η 進(jìn)行對(duì)比計(jì)算[11－15]，采用計(jì)算公式為式(1)～式(3):

式中:E1為第一斷面處單位重量水體具有的總能量;E2為第二斷面處單位重量水體具有的總能量;zi為i斷面處以輸水洞出口末端為基準(zhǔn)面的底面高程，已知 z1=0，z2=8.91 m，hi為斷面中心點(diǎn)處水深。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，各工況下方案二的消能率均高于方案一的消能率，消能率是衡量消能工的一項(xiàng)重要指標(biāo)，消能率的提高不僅可以增加工程的安全性，更可有效維護(hù)消能塘自身和下游河道岸坡的穩(wěn)定;同時(shí)方案二還可以減少開挖量，從而進(jìn)一步降低工程成本。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某工程輸水洞末端消能工的布設(shè)形式進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究，成果顯示沖擊墩、臺(tái)階與消能塘聯(lián)合消能形式的消能率較高且能更有效平穩(wěn)水流、減少開挖量。因此，當(dāng)受下游河道地形、河床地質(zhì)條件等限制因素需采用底流消能時(shí)，所需消能塘往往開挖量較大，可因勢(shì)利導(dǎo)，在塘內(nèi)修建逆坡式臺(tái)階并使之與消能塘出口末端銜接，不僅可以大幅度減少開挖量降低工程投資，還可有效提高消能塘的消能率，減免下游河道受高速水流的沖刷，使塘內(nèi)水流更加平穩(wěn)，從而保證消能塘自身穩(wěn)定。反坡式臺(tái)階的消能作用與臺(tái)階相對(duì)尺寸及水流流速均有關(guān)，工程中應(yīng)依據(jù)具體情況選擇合適尺寸進(jìn)行開挖。由此可見，采用臺(tái)階、沖擊墩及消能塘聯(lián)合消能的方案可有效保護(hù)下游河床，避免護(hù)坦受到嚴(yán)重沖刷，最大限度發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益。

表2 兩方案消能率計(jì)算結(jié)果

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