低水頭航電樞紐消力池消能及過沙效果研究

彭鑫，扈世龍，葉玉康

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長沙410200；2.長沙理工大學(xué)，長沙410076）

低水頭航電樞紐消力池消能及過沙效果研究

彭鑫1，扈世龍2，葉玉康2

（1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，長沙410200；2.長沙理工大學(xué)，長沙410076）

結(jié)合某低水頭航電樞紐泄水閘斷面水工模型，對消力池布置方式和差動(dòng)式尾檻對消能及過沙效果的影響進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，將消能墩擺放在泄水閘局部開啟時(shí)底流最大流速區(qū)附近且適當(dāng)調(diào)整消力池長度，以及合理設(shè)計(jì)差動(dòng)式尾檻的出池坡度和尾檻長度，可以在保證消力池消能效果的同時(shí)，增強(qiáng)消力池內(nèi)過沙效果。

泄水閘；消能工；模型試驗(yàn)；消能率；過沙效果

低水頭航電樞紐是平原河流中下游常見的樞紐型式，由于水頭低、Fr數(shù)低和下游河床抗沖能力較差等特點(diǎn)，其下游消力池的消能、過沙問題較廣泛的存在于實(shí)際工程中［1］。低水頭航電樞紐下游消能一般采用底流消能，其中在泄水閘下游河床底部布置消力池是常見的形式［2-3］。為了提高消力池的消能效率及減少工程的建設(shè)投資，常在池內(nèi)布置各種形式的輔助消能工，如趾墩、消能墩和尾檻等［4-5］。但是這些輔助消能工如果布置不合理，就難以達(dá)到消能的效果，有時(shí)還會出現(xiàn)上游進(jìn)入消力池的砂石不易出池，由于回流的作用，砂石易與消力池及輔助消能工發(fā)生摩擦，長期作用可能使消能設(shè)施產(chǎn)生損壞［6］。故通常情況下，消力池及消能輔助工的布置方案需要通過模型試驗(yàn)確定［7］。

本文結(jié)合某航電樞紐泄水閘水工斷面模型試驗(yàn)，研究低水頭航電樞紐消力池兼顧消能及過沙效果的消力池及輔助消能工布置，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某航電樞紐泄水閘最大設(shè)計(jì)水頭為7.8m，屬低水頭航電樞紐范疇。壩址河段河勢較為復(fù)雜，河道較彎曲，左岸為凹岸，右岸為凸岸?，F(xiàn)有河道分為左右兩汊，河中為江心洲，洲頂高程約29.00～31.4m，長約5.5 km，軸線處寬360m，左汊為主汊，寬約820m，河床標(biāo)高介于12.00～25.00m；右汊為副汊，寬約320m，河床標(biāo)高介于22.00～29.00m，水位低于25.3m時(shí)，右汊完全不過流。該樞紐正常蓄水位29.7m。樞紐從左至右主要泄水建筑物包括左汊24孔凈寬22m的低堰泄水閘（堰頂標(biāo)高19.0m）和右汊18孔凈寬14m的高堰泄水閘（堰頂標(biāo)高25.0m）。本文以左側(cè)主汊低堰泄水閘為例展開相關(guān)研究。

2 斷面物理模型的制作及消能的基本原理

2.1 模型的設(shè)計(jì)與制作

泄水閘斷面水工模型設(shè)計(jì)考慮了與原型的重力和阻力作用下的相似準(zhǔn)則，根據(jù)相關(guān)模擬技術(shù)規(guī)程［8］，再結(jié)合具體的試驗(yàn)條件，采用正態(tài)模型，幾何比尺選為1∶45，相應(yīng)的流速比尺為6.708，流量比尺為13 584.1，單寬流量比尺為301.869，糙率比尺為1.886，時(shí)間比尺為6.708［9］。

設(shè)計(jì)方案泄水閘斷面水工模型如圖1所示。斷面模型上游接供水系統(tǒng)，下游跌入回水池，水流循環(huán)流入地下蓄水池，試驗(yàn)水槽總長20m。其中上游閘前地形總長8m，閘室及消力池段總長1.24m，下游海漫和動(dòng)床區(qū)總長8m。試驗(yàn)水槽總寬0.8m，布置安裝1孔半泄水閘，包括1個(gè)完整的0.490m泄水閘孔，兩側(cè)分別0.071m的閘墩及兩側(cè)分別0.084m的部分泄水閘孔。本模型選擇的上下游地形標(biāo)高與堰頂高程19.00m相同，閘室堰頂高程19.00mm，閘前底板和消力池底板為16.00m。消力池內(nèi)梯形實(shí)體消能墩的設(shè)計(jì)尺寸為上底0.5m，下底3m，高2.5m，寬2m，尾檻為差動(dòng)式，斜坡坡度1∶1，消能墩及后方豎直尾檻沿垂直水流方向各隔2m對應(yīng)布置。

試驗(yàn)采用矩形薄壁堰、水位測針、旋漿流速儀、水準(zhǔn)儀和活動(dòng)測針分別控制流量、量水堰水位、上下游水位和水流流速，精度均控制在允許的范圍之內(nèi)。采用數(shù)碼攝像對泥沙的起動(dòng)、水流出閘流態(tài)、泥沙過堰及過池、消能過程等進(jìn)行觀測。

2.2 消能的基本原理

本航電樞紐為低水頭閘壩工程，洪水情況下，水頭很小，接近天然狀態(tài)，故消能問題主要體現(xiàn)在中小流量情況。泄水閘消能采用底流式消能，即實(shí)質(zhì)為水躍消能，當(dāng)水躍發(fā)生時(shí)，水躍區(qū)的水流可分為水下主流和表面旋滾水流。在主流與表面旋滾的交界面上流速梯度很大，紊動(dòng)摩擦摻混極為強(qiáng)烈，兩者之間不斷進(jìn)行能量交換，此過程消耗大量的動(dòng)能，從而達(dá)到消能的目的。

消能率是衡量消能工消能效率的重要指標(biāo)，可根據(jù)水流的能量方程，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析。為了衡量消力池的消能效果，圖2給出了計(jì)算閘孔出流消能率的示意圖，分別取閘前1-1斷面（距閘墩12.00m）及尾檻即消力池末端2-2斷面，測量并計(jì)算其斷面平均流速，并按以下原理進(jìn)行消能率計(jì)算和分析。

閘前和尾檻斷面間沿程的能量損失以水頭來表示，即

根據(jù)沿程流量守恒定律，消能率的計(jì)算式為

以上△E、E1、E2分別為總能量的損失、閘前斷面能量、尾檻斷面能量；z為閘前與尾檻兩斷面底部的高差；v1、v2閘前斷面和尾檻斷面水流的平均流速；q1、q2分別為閘前斷面和尾檻斷面水流的單寬流量；α1、α2分別為閘前斷面和尾檻斷面水流的動(dòng)能修正系數(shù)。

試驗(yàn)測得各方案下閘前（1-1）斷面及（2-2）尾檻斷面的水深、流速等數(shù)據(jù)，由式（2）可計(jì)算出利用消力池進(jìn)行底流消能的消能率。

消能問題主要針對中小流量情況，本研究對不同開孔數(shù)、不同閘門開度的組合工況進(jìn)行了試驗(yàn)（表1），發(fā)現(xiàn)總來流量越小，上下游水位差越大，水流沿程平均流速越大，故本文選擇對消力池消能不利的2 200m3/s和2 400m3/s小流量工況進(jìn)行以下相關(guān)研究。

圖1 泄水閘設(shè)計(jì)方案斷面模型示意圖Fig.1 Sketch of cross?sectional hydraulicmodel test

圖2 消能率計(jì)算示意圖Fig.2 Sketch of energy dissipation ratio calculation

3 消能工模型試驗(yàn)研究

消力池內(nèi)消能與過沙是一對相互矛盾的作用，一般而言假如消力池內(nèi)水流流速減幅較大，說明消力池消能效果較好，但是較大的流速減幅對上游來沙出池不利，故如何使兩者在消力池中達(dá)到均衡，是消能工模型試驗(yàn)需要確定的內(nèi)容。

3.1 消力池布置方式對消能及過沙影響分析

消力池的布置長度主要與水躍長度有關(guān)，若池內(nèi)加設(shè)輔助消能工，則水躍長度將顯著縮短，同時(shí)輔助消能工布置方式的差別，也將對水躍產(chǎn)生重要影響。以下對依托工程設(shè)計(jì)方案中池內(nèi)消能墩和尾檻的布置方式進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，研究在兼顧消能和過沙的同時(shí)，適當(dāng)縮短消力池長度的布置方案。

消力池設(shè)計(jì)方案如圖3所示，0.00處為弧形閘門位置，+14.3處為消力池起始位置。消力池總長28m，消能墩距離尾檻的長度為15m。選擇消能較為不利的中小流量2 400m3/s作為試驗(yàn)工況（見表1工況2），試驗(yàn)情況如下：（1）原消力池設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)。從整體的水流狀況看，下泄水流出閘后首先沿著消力池底部運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到消能墩的阻礙時(shí)，部分水流開始反向運(yùn)動(dòng)，形成表面旋滾，水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，經(jīng)過水躍消能后的水流流速大幅度減小，之后又在消力池尾檻的阻礙下，流速進(jìn)一步減小，所設(shè)計(jì)的消力池消能效果比較好。但從圖4可看出原設(shè)計(jì)方案消力池內(nèi)水流的最大底部流速值發(fā)生在設(shè)計(jì)方案下消能墩前側(cè)5.8m左右的位置，另在消力池的尾檻前部有一段明顯的緩流區(qū)，砂石容易在此處駐留。故對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行第一步改進(jìn)，將消能墩往前移動(dòng)5.8m，尾檻位置不變，消力池長度仍為28m。（2）對消力池改進(jìn)方案1的進(jìn)一步試驗(yàn)表明，消能墩前移后，水躍長度減少（見圖4負(fù)向水流長度）。根據(jù)消力池長度確定的原則，可適當(dāng)減小消力池長度，故進(jìn)行第二步改進(jìn)，即在消力墩前移5.8m的基礎(chǔ)上，將尾檻同時(shí)前移5.8m，消力池長度減為22.2m。

綜合整理以上各方案的試驗(yàn)結(jié)果，圖4分別表示消力池內(nèi)+14.3～+47.5m斷面沿程流速分布情況；表2為各方案閘前～尾檻斷面的消能率。對比分析可知：（1）效能率問題。消力池改進(jìn)方案1中，隨著消能墩位置前移，池內(nèi)水流的最大底部流速值前移至消力池起始位置，墩前表面反向水流流速增大，而墩后至尾檻之間由于距離增大，出尾檻處水流流速略有增大，總的來說閘前-尾檻斷面整體的消能率與原設(shè)計(jì)方案相比略有減小。而消力池改進(jìn)方案2中，由于消能墩和尾檻位置同時(shí)前移，出尾檻處水流水深h2有所減小，而流速有所增大，故消能率與改進(jìn)一方案相當(dāng)。通過以上的比較分析表明，消力墩前移5.8m或尾檻前移5.8m對消能工的消能效果影響較小，說明消力池的設(shè)計(jì)長度具備縮短條件。（2）消力池內(nèi)砂石問題。此外還進(jìn)行了各方案下消力池內(nèi)的沖沙對比試驗(yàn)，即在消能墩后端尾檻前端鋪設(shè)相同厚度的泥沙（該河段推移質(zhì)泥沙平均粒徑為3 cm左右），進(jìn)行定床沖沙試驗(yàn)，結(jié)果表明，消力池設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案1尾檻處由于底部流速相對較小，分別為0.42m/s和0.66m/s，尾檻前端砂石容易在此駐留；而消力池改進(jìn)方案2尾檻處底部流速相對較大，達(dá)到了0.99m/s，尾檻前端砂石可以部分起動(dòng)。以下結(jié)合尾檻改進(jìn)對池內(nèi)的過沙效果展開進(jìn)一步分析。

表1 試驗(yàn)場次一覽表Tab.1Test condition

圖3 消力池布置方式改進(jìn)過程示意圖Fig.3 Sketch of improved arrangement form of stilling basin

圖4 沿程流速分布圖Fig.4 Flow velocity distribution

表2 消力池改進(jìn)前后閘前～尾檻斷面消能率計(jì)算Tab.2Calculation results of energy dissipation ratio before and after improvement of stilling basin

3.2 差動(dòng)式尾檻對消能及過沙影響分析

差動(dòng)式尾檻又稱齒形尾檻，是消力池常采用的一種尾檻形式，由齒槽和直立檻間隔布置形成，能把消力池主流分散成上下兩層水股，其中齒槽分流水股與直立檻底滾水股相互作用可以增強(qiáng)消能效果，齒槽有利于上游砂石排出，同時(shí)對泄流有均化作用。

鑒于差動(dòng)式尾檻斜坡坡度1∶1時(shí)，消力池內(nèi)還會存在部分砂石的停留。因此，以下進(jìn)行尾檻改進(jìn)試驗(yàn)，對能兼顧消能和過沙效果的尾檻型式展開研究。選擇消能較為不利的中小流量2 200m3/s作為試驗(yàn)工況（見表1工況1），試驗(yàn)情況如下：（1）原尾檻設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)。試驗(yàn)前在消能墩之后和尾檻之前區(qū)域全部鋪上模型沙，然后進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，1 h后觀測發(fā)現(xiàn)尾檻處形成了1∶2.7的自然淤沙坡度，因此差動(dòng)式尾檻第一步改進(jìn)措施是將尾檻斜坡部分的坡度由1∶1改為1∶2.7（圖5）。（2）尾檻改進(jìn)方案1的試驗(yàn)表明，將差動(dòng)式尾檻的坡度改緩后，在該試驗(yàn)工況下砂石基本都可以順著斜坡出池。但坡度改緩后影響了差動(dòng)式尾檻直立檻部位的消能效果，尾檻改進(jìn)方案1的效能率略有降低（表3）。鑒于此，尾檻第二步改進(jìn)措施是將斜坡坡度增大至1∶2.5，同時(shí)差動(dòng)式尾檻的直立檻部位加長至坡腳（圖5），以增加直立面的面積從而達(dá)到增強(qiáng)差動(dòng)式尾檻與水流的碰撞摩擦效果。

綜合整理以上各方案的試驗(yàn)結(jié)果，圖6分別為各方案消力池內(nèi)消能墩和出池處斷面水流流速分布情況；表3為各方案閘前-尾檻斷面消能率的計(jì)算結(jié)果。對比分析可知：尾檻坡度改進(jìn)后，消力池內(nèi)底流速增大，池內(nèi)過沙效果增強(qiáng)。與尾檻設(shè)計(jì)方案相比，尾檻改進(jìn)方案1的尾檻坡度較緩，出池底流速較大，故雖然池內(nèi)過沙效果較強(qiáng)。但消能工與水流的摩擦效果減弱，消能效果有所降低。尾檻改進(jìn)方案2保留了差動(dòng)式尾檻的緩坡，故池內(nèi)的過沙效果與尾檻改進(jìn)方案1相當(dāng)；而尾檻延長至坡腳，增大了尾檻與水流的碰撞摩擦，提高了消能效果，故此時(shí)閘前-尾檻斷面的消能率略大于設(shè)計(jì)和改進(jìn)一方案。

圖5 尾檻布置方式改進(jìn)過程示意圖Fig.5 Sketch of improved arrangement form of differential tail sill

圖6 沿程流速分布圖Fig.6 Flow velocity distribution

表3 尾檻改進(jìn)前后閘前～尾檻斷面消能率計(jì)算Tab.3Calculation results of energy dissipation ratio before and after improvement of differential tail sill

4 結(jié)論

（1）消力池布置方式對消能及過沙效果影響研究表明：將消力墩布置在消力池底流最大的位置，能增大水流與消能墩之間的摩擦碰撞，提高局部的消能效果，縮短水躍長度。從而達(dá)到縮短消力池長度，節(jié)省工程建設(shè)投資的目的。（2）差動(dòng)式尾檻對消能及過沙效果影響研究表明：適當(dāng)放緩差動(dòng)式尾檻的坡度，有利于消力池內(nèi)砂石出池，但消能效果有所降低，若將直立尾檻向池內(nèi)延長至坡腳，增加尾檻直立面的面積，可使差動(dòng)式尾檻在提高過沙效果的同時(shí)，還能兼顧消能效果。（3）本文研究成果在長沙綜合樞紐下游消能設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工中得到了應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益及運(yùn)營效果，對其他類似低水頭航電樞紐消力池的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

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Study on effect of energy dissipation and over sand of stilling basin in low?head navigation hydro?junction

PENG Xin1,HU Shi?long2,YE Yu?kang2
（1.Changsha Xiang?river Comprehensive Hub Development Co.Ltd.，Changsha 410200,China;2.Changsha University of Science&Technology,Changsha 410076,China）

On the basis of cross?sectional hydraulicmodel test of a low?head navigation hydro?junction,the in?fluences of stilling basin arrangement and differential tail sill on energy dissipation and over sand effect were stud?ied.The results show that in order to guarantee the effect of energy dissipation and enhance the effect of over sand, the energy dissipation piers are located near themaximum velocity zone of end flow,and the length of the stilling ba?sin is adjusted.The slope out of the pool and the last sill length of differential tail sill are designed rationally.

sluice gate;energy dissipater;model test;energy dissipation ratio;effect of over sand

TV 135.1

A

1005-8443（2015）03-0234-05

2015-03-30；

2015-04-07

彭鑫（1980-），男，湖南省長沙人，工程師，主要從事水運(yùn)和水利工程建設(shè)施工管理工作。

Biography：PENG Xin（1980-），male，engineer.