ATS水利樞紐1#深孔放空排沙泄洪洞消能工優(yōu)化研究

崔 忠

1 工程概況

ATS水利樞紐是塔里木河主要源流之一的葉爾羌河流域內(nèi)最大的控制性山區(qū)水庫(kù)工程，工程任務(wù)為在保證向塔里木河干流生態(tài)供水目標(biāo)的前提下，承擔(dān)防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用。水庫(kù)總庫(kù)容22.49億m3，正常蓄水位1820 m，最大壩高164.8 m，電站裝機(jī)容量755 MW。

樞紐工程由攔河壩、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放空排沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房、過(guò)魚(yú)建筑物等主要建筑物組成。擋水建筑物、泄洪洞及發(fā)電洞進(jìn)水口為1級(jí)建筑物；發(fā)電引水隧洞、電站廠房為2級(jí)建筑物；生態(tài)基流引水洞及其廠房、過(guò)魚(yú)建筑物為3級(jí)建筑物，臨時(shí)建筑物為4級(jí)。

1#深孔放空排沙泄洪洞布置在右岸，進(jìn)口布置在兩條發(fā)電洞中間，根據(jù)地形條件和樞紐各建筑物布置，洞線在平面需要布置彎道，故設(shè)計(jì)為有壓洞［1］。深孔放空排沙洞由引渠段、進(jìn)口有壓洞段、檢修閘井段、有壓洞身段、工作閘井段、出口無(wú)壓洞段、消能段、明渠段組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 1#深孔放空排沙泄洪洞縱斷面圖

2 正態(tài)水工模型

按照重力相似準(zhǔn)則［2-6］設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行正態(tài)水工模型試驗(yàn)。

模型幾何比尺Lr=37.89，各物理量的比尺如下：

混凝土糙率0.012～0.014，要求模型糙率為nm=0.0065～0.0076，有機(jī)玻璃糙率為0.007，采用有機(jī)玻璃做模型材料制作泄水建筑物滿足要求。

模型范圍：保證進(jìn)口進(jìn)流條件相似，出口以消力池出流水力條件相似為標(biāo)準(zhǔn)，取距水墊塘出口100 m左右。

模型制作：模型由供水系統(tǒng)供水，上游設(shè)平水段和穩(wěn)水柵，保證進(jìn)口水流平穩(wěn)，模型采用下游量水。建筑物均采用有機(jī)玻璃加工制作。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

1#深孔放空排沙泄洪洞原設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖2）的泄流能力分析，試驗(yàn)值比設(shè)計(jì)值小0.89%[7]，二者基本一致，1#深孔泄流能力滿足要求。

圖2 1#深孔放空排沙泄洪洞消能工布置圖

上游水位1820.00 m1#深孔放空排沙泄洪洞出口水流比較平穩(wěn)，弧形工作門突擴(kuò)未形成嚴(yán)重的沖擊水翅。跌坎處形成穩(wěn)定的底空腔，其長(zhǎng)度約7.5 m，但有回水，最大淹沒(méi)深度約0.6 m。無(wú)壓段的流態(tài)平穩(wěn)，與渥奇段結(jié)合部位的水流擴(kuò)散未引起不良流態(tài)。水躍躍首發(fā)距消力池首端上游約40 m池內(nèi)水躍旋滾劇烈，旋滾尺度與消力池尺度相當(dāng)。水面比較平穩(wěn)，消能效果較好。池內(nèi)連接兩側(cè)邊墻的柵條處在強(qiáng)烈的水流旋滾區(qū)，對(duì)柵條的穩(wěn)定性造成一定的威脅，需要注意。盡管水面平穩(wěn)，也會(huì)出現(xiàn)有撞擊上部聯(lián)系梁的情況，但不會(huì)對(duì)聯(lián)系梁造成大的威脅。出池水流擴(kuò)散導(dǎo)致折沖現(xiàn)象較嚴(yán)重。

3.2 取消消力墩與消渦柵

消力池梯形消力墩去掉后，池內(nèi)流態(tài)發(fā)生顯著變化，水躍旋滾尺度增大。池底沒(méi)有消力墩的阻擋，幾乎整個(gè)消力池范圍都是水躍大尺度旋滾區(qū)。水面波動(dòng)增大，水面大尺度波動(dòng)。最大涌浪(波峰、波谷之差)約8 m。設(shè)置消力墩時(shí)的主旋滾區(qū)約占消力池的2/3。設(shè)置消力墩時(shí)涌浪約3 m。故消力墩應(yīng)保留。但入池流速量級(jí)為12～13 m/s，消力墩本身的安全性應(yīng)給以重視。

從消力池內(nèi)流態(tài)看出，柵條(消渦柵)的作用明顯。不設(shè)置消渦柵時(shí)，水面波動(dòng)較大。水位1820.00 m情況下，水面撞擊消力池上部聯(lián)系梁。設(shè)置消渦柵時(shí)，水面波動(dòng)較小，消力池上部聯(lián)系梁基本不與水面接觸或很少接觸。故消渦柵應(yīng)保留。但其本身的穩(wěn)定性應(yīng)給以重視。

試驗(yàn)結(jié)果表明，梯形消力墩和消渦柵的消能作用均非常明顯，特別是對(duì)穩(wěn)定池內(nèi)流態(tài)，有很好的效果。

3.3 消力池變底板高程及跌坎組合試驗(yàn)

由于下層消渦柵在水體中可能存在比較嚴(yán)重的空化空蝕問(wèn)題，及消能墩在較大的臨底流速下自身的穩(wěn)定和安全，故需考慮取消下層消渦柵及消能墩。取消消渦柵和消能墩后，消力池內(nèi)流態(tài)及水力學(xué)指標(biāo)（臨底流速及脈動(dòng)壓力等）會(huì)增大，為優(yōu)化消力池內(nèi)流態(tài)并降低消力池內(nèi)的水力學(xué)指標(biāo)，探究合理的消力池體型，改變消力池的底板高程并加跌坎進(jìn)行組合試驗(yàn)。

為探究消力池的最佳池深，在取消消力池下層聯(lián)系梁和消能墩的情況下，將消力池底板高程不變（原底板高程1649.00 m）、底板降2 m（底板高程 1647.00 m）、底板降 4 m（底板高程1645.00 m）、底板降6 m（底板高程1643.00 m）與加不同高度的跌坎構(gòu)成的不同體型的消力池進(jìn)行試驗(yàn)研究。共進(jìn)行了10組試驗(yàn)。消力池不同底板高程與跌坎組合見(jiàn)表1。

表1 消力池不同底板高程與跌坎組合表

不同消力池體型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析詳見(jiàn)表2，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，消力池最大臨底流速和最大脈動(dòng)壓力隨著消力池底板高程降低而減小，且減小幅度越來(lái)越小，消力池底板高程越低消力池內(nèi)流態(tài)越平穩(wěn)，水面波動(dòng)越小。消力池底板高程不變，跌坎高度增加消力池內(nèi)最大臨底流速減小，最大脈動(dòng)壓力增大，流態(tài)紊亂。無(wú)論是加跌坎還是降低底板高程，消力池最大臨底流速較體型1均有所減小。降低消力池的底板高程對(duì)減小消力池的最大脈動(dòng)壓力都是有效的。消力池的底板高程不變加設(shè)跌坎消力池的最大脈動(dòng)壓力反而增大。

表2 不同消力池體型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表

從流態(tài)、脈動(dòng)壓力、臨底流速結(jié)果來(lái)看，原設(shè)計(jì)底板高程時(shí)，消力池內(nèi)的脈動(dòng)壓力和臨底流速均較大，消力池底板在原設(shè)計(jì)高程的基礎(chǔ)上降低2 m、降低4 m、降低6 m臨底流速和脈動(dòng)壓力都有加大改觀，隨著池底高程的降低池內(nèi)水流流態(tài)平穩(wěn)，臨底流速和脈動(dòng)壓力減小。消力池底板在原設(shè)計(jì)高程的基礎(chǔ)上降低2 m加2 m跌坎或不加跌坎，降低4 m加4 m、2 m跌坎或不加跌坎及降低6 m加4 m、2 m跌坎或不加跌坎，臨底流速和脈動(dòng)壓力較消力池體型1均有較大幅度的降低。

3.4 消力池出口及尾渠段體型優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果

1#深孔放空排沙泄洪洞消力池出口及尾渠段的體型進(jìn)行了優(yōu)化（見(jiàn)圖3），消力池尾部?jī)蓚?cè)邊墻各開(kāi)兩孔、向兩側(cè)溢流，尾渠高程由1661.822 m降到1661.00 m、底寬由18 m增加到58 m，邊坡坡比不變。

圖3 1#深孔放空排沙泄洪洞消能工優(yōu)化后布置圖

消力池體型優(yōu)化后消力池出口形成水面跌落，尾渠臨底流速降低，僅在高水位（1820.0 m）時(shí)、產(chǎn)生較小范圍的折沖水流，其他工況尾渠流態(tài)良好，水面比較平穩(wěn)。

1#深孔放空排沙泄洪洞運(yùn)行時(shí)，從水位1724.85 m～1820 m，隨著水位的增大，消力池出口下游河床沖坑深度有增大的趨勢(shì)，沖坑最深點(diǎn)向下游移動(dòng)。最大沖刷深度6.52 m，沖坑最低點(diǎn)遠(yuǎn)離消力池沖坑護(hù)坦末端。

4 結(jié)論

通過(guò)水工模型試驗(yàn)可知，1#深孔放空排沙泄洪洞原設(shè)計(jì)方案泄流能力設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值基本一致。消力池原設(shè)計(jì)方案設(shè)置了消力墩和消渦柵，模型試驗(yàn)通過(guò)消力池是否設(shè)置消力墩和消渦柵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可知消力墩與消渦柵對(duì)消力池的效能效果影響很大，但消力池內(nèi)水流比較紊亂，消力墩和消渦柵條本身存在安全風(fēng)險(xiǎn)。水工模型試驗(yàn)研究取消消力墩和消渦柵后，改變消力池的底板高程并加跌坎進(jìn)行組合試驗(yàn)，探究合理的消力池體型。不同底板高程與加不同高度的跌坎構(gòu)成的不同體型的消力池進(jìn)行多組試驗(yàn)。隨著底板高程降低效能率增加；相同底板高程增加跌坎，脈動(dòng)壓力先增大后減小。

模型試驗(yàn)對(duì)消力池出口及尾渠段的體型進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后消力池出口及尾水渠的水面銜接平穩(wěn)，下游河床沖刷坑深度向下游移動(dòng)，沖坑最低點(diǎn)遠(yuǎn)離消力池沖坑護(hù)坦末端。

[1]SL 279-2016，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2016.

[2]麥棟玲，黃智敏，陸漢柱，付波.某攔河閘底流消能工消能防沖試驗(yàn)研究[J].廣東水利水電，2015(4).

[3]黃智敏，陳卓英，朱紅華，等.低水頭攔河閘下游消力池布置探討[J].廣東水利水電，2012(11).

[4]付波，黃智敏，陸漢柱，等.雙捷攔河閘重建工程消能防沖優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].廣東水利水電，2014(6).

[5]孫雙科，柳海濤，夏慶福，等.跌坎型底流消力池的水力特性與優(yōu)化研究[J].水利學(xué)報(bào)，2005，36(10).

[6]陳朝，毛舒婭，黃海艷，等.跌坎型底流消能工壓力分布特性的試驗(yàn)研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2011，9(1).

[7]ATS水利樞紐泄水建筑物水工模型試驗(yàn)研究成果[R].天津：天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2011.