扭面式消能墩在低水頭泄水建筑物中的應用

黃肖

（鞍山水文局，遼寧鞍山114039）

1 研究背景

梨樹園子水電站是一座以發(fā)電為主的小型徑流式水電站，同時也是鴨綠江二級支流愛河梯級開發(fā)的第五級水電站[1]。電站壩址位于遼寧丹東鳳城市石城鎮(zhèn)梨樹園子村，距離鳳城市約25 km。梨樹園子水電站設計庫容1 800 萬m3，裝機容量為22 400 kW，工程按照百年一遇洪水標準設計，千年一遇洪水標準校核。梨樹園子水電站位于低山丘陵區(qū)，大壩高度較低，屬于典型的低水頭水電站，同時受到氣候因素和上游來水的影響，日常下瀉流量較小，但是在汛期遭遇上游洪峰侵襲的情況下，下瀉的單寬流量會迅速增加，呈現出水流形態(tài)復雜、佛氏數低的特點，這就給下游的消能建筑物設計帶來較大的困難[2]。鑒于以往理論研究和工程實踐，此類水利工程如果采用傳統(tǒng)的T 型墩或六邊形棱柱消能墩，容易出現消能效果差和墩后空蝕空化等缺陷[3]?；诖?，本文以梨樹園子水電站為工程依托，提出一種扭面式消能墩，并通過試驗研究的方式驗證其設計的合理性和工程應用價值。

2 研究方案

2.1 扭面式消能墩的制作

扭面式消能墩的設計原理是將消能墩的兩側設計為扭面構成的凹槽形態(tài)，當下瀉水流通過凹槽過程中，由于受到墩體的阻擋作用而分成多股水流[4]。其中，一部分水流受到扭面的作用而產生回旋式漩渦，與外側向下流動的水流相互作用形成比較劇烈的紊動效應，從而大幅提升消能墩的消能效果；此外，受到消能墩頂部扭面的作用，中部被挑起的水流與兩側水流產生摩擦也能形成水渦，從而消耗部分能量[5]。結合工程背景資料和試驗模型研究水槽的大小，扭面式消能墩的初始設計模型尺寸為6.2 cm×8.0 cm×10.5 cm。側面和上邊緣線均采用方程為y=x2的二次拋物線面相接。根據CATIA 三維建模結果進行實物的3D 打印，獲得圖1 所示的實物模型。

圖1 扭面式消能墩模型實物圖

2.2 試驗系統(tǒng)

下瀉水流流態(tài)是十分復雜的流體力學問題，理論和試驗研究相結合是解決此類問題的重要方法，因此，此次研究利用模型試驗的方式展開[6]。根據試驗目的和要求，整個試驗系統(tǒng)由水槽、水箱、水泵以及控制臺組成。其中，水槽的長、寬、高分別為1 000，30 和50 cm，其中槽身由有機玻璃制作，可以有效模擬混凝土泄水建筑物的糙率[7]。消能墩固定在距離水槽尾部330 cm 處的水槽底部；水泵由伺服電機控制，可以提供不同流速要求下的水槽循環(huán)水流，水槽的電子控制臺可以實時顯示和控制水槽內的流量大小，實現流量的精確控制。試驗過程中的水深利用水位測針測量；消能墩周圍的流速分布利用PIV 粒子圖像測速儀測量和分析計算[8]。

2.2 試驗工況

鑒于低水頭電站在運行過程中下瀉流量的變化較大，不同流量條件下的消能墩周圍流場特點是研究測試的主要內容。因此，研究中設置低流量9 L/s 和高流量15 L/s 兩種不同的流量水平進行試驗，以模擬水電站正常運行和汛期大流量泄洪工況，選取消能墩的左側、右側以及中部3 個位置進行拍攝，以充分分析消能墩的綜合消能效果。

3 試驗結果與分析

3.1 二維流暢分析

對不同流量條件下的消能墩左側PIV 拍攝所得圖片進行數據處理和分析，由獲得的流線分布圖可知，在9 L/s 流量下，消能墩上部的流線比較平順，說明水流比較順暢，在靠近墩體的部位，水流的流線受到墩體斜面的影響出現比較明顯的浮動，方向也發(fā)生了一定的轉折，說明該部位存在比較強烈的水流紊動，水流的能量也隨著得到消耗，顯示出比較明顯的消能效果；在15 L/s 的大流量條件下，消能墩上部的流線仍舊比較平順，在靠近墩體的部位，流線出現了比較明顯的彎曲，并在墩后部位出現了十分明顯混亂，說明產生了十分強烈的水流紊動，具有十分明顯的消能效果。

對不同流量條件下的消能墩中部PIV 拍攝所得圖片進行數據處理和分析，由獲得的流線分布圖可知，在9 L/s 流量下，消能墩后的區(qū)域流線彎曲成旋渦狀，水流紊動強烈，能量被大量消耗，原因是水流與墩后的凹面碰撞造成方向偏轉和回流；在15 L/s 流量條件下，墩體頂部的流線比較平順，說明水流可以沿著斜面穩(wěn)定向下游運動，而墩后部位的漩渦范圍更大，說明水流的紊動作用更為強烈，消能效果十分明顯。

對不同流量條件下的消能墩右側PIV 拍攝所得圖片進行數據處理和分析，由獲得的流線分布圖可知，在9 L/s 流量下，消能墩頂部的流線與槽底平行且比較平順，說明水流能夠平穩(wěn)下瀉，下層水流出現比較明顯的分層且紊動作用增強，有利于能量消耗；在15 L/s 流量下，有3 處區(qū)域的流速較周圍區(qū)域明顯偏大，由于流速不同造成水流的剪切作用達到消能目的。

3.2 垂向流速分析

為了進一步研究消能墩對水流的作用和調整機理，在消能墩的墩后區(qū)域提取橫坐標為20，40，60，80 mm 等4 個不同斷面的縱向流速，研究消能墩不同部位的垂向流速分布特征，對扭面式消能墩的消能效果進行評價。

圖2 是消能墩左側9 L/s 和15 L/s 流量條件下的4 個斷面垂向流速分布圖。由圖2 可知，消能墩左側的垂向流速表現出比較明顯的“S”型特征。在消能墩墩體頂部以上的區(qū)域，水流的縱向流速變化并不明顯，而消能墩墩體以下的區(qū)域，水流的縱向流速變化相對比較顯著。究其原因，主要是該部位的墩體結構發(fā)生了比較明顯的變化，特別是高度為40～70 mm 的區(qū)域，由于消能墩的墩體向外突出，造成該部位水流的流速明顯減小，而上下兩側的過水面積明顯減小，因而流速增大比較明顯。此外，不同斷面相比較，越靠近消能墩的斷面其垂向流速的變化量越大，說明越靠近墩體流速的變化就越劇烈，而水流紊動的能量消耗作用就越強。

圖3 是消能墩中部9 L/s 和15 L/s 流量條件下的4 個斷面垂向流速分布圖。由圖3 可知，在消能墩墩體頂部以上的區(qū)域，水流的縱向流速變化圖并不明顯，而消能墩墩體以下的區(qū)域，水流的縱向流速變化相對比較顯著，垂向流速在0 m/s 附近交替徘徊。此外，不同斷面相比較，越靠近消能墩的斷面其垂向流速的變化幅度越大，越遠離墩體，其垂向流速的變化幅度就越小。這說明，靠近墩體部位的水流變化劇烈，而水流紊動的能量消耗作用就越強。

圖2 消能墩左側不同流量垂向流速度分布圖

圖3 消能墩中部不同流量垂向流速度分布圖

圖4 是消能墩右側9 L/s 和15 L/s 流量條件下的4 個斷面垂向流速分布圖。由圖4 可知，消能墩墩體頂部以上的區(qū)域，水流的縱向流速變化并不明顯，而消能墩墩體以下的區(qū)域，水流的縱向流速變化相對比較顯著。總體而言，消能墩右側的垂向流速表現出比較明顯的“S”型特征。特別是高度為60～90 mm的區(qū)域，由于消能墩的墩體向外突出，造成該部位水流的流速明顯減小，而底部由于過水面積明顯減小，造成流速增大比較明顯。此外，同左側和中部類似，越靠近消能墩的斷面其垂向流速的變化量越大，說明越靠近墩體流速的變化就越劇烈，而水流紊動的能量消耗作用就越強。

圖4 消能墩右側不同流量垂向流速度分布圖

4 結論

此次研究利用實驗室模型試驗的方式，以梨樹園子水電站為工程依托，研究了扭面式消能墩在低水頭水利工程中的消能效果，獲得的主要結論如下：

1）通過扭面式消能墩左側和右側的二維流場分析，當下瀉水流在經過消能墩兩側的扭面時，存在十分明顯的水流分層現象，且部分水流受到墩體結構的擾動作用，流向發(fā)生改變甚至翻轉，繼而差生了十分明顯的上下層流速差和回旋水流，達到消能目的。

2）對扭面式消能墩中部的流場分析顯示，部分水流受到墩體頂部曲面的作用被挑起，并未被挑起的水流之間產生比較明顯的碰撞與摩擦，進而產生十分明顯的水流紊動，達到了消能目的。

3）從扭面式消能墩的垂向流速分析結果來看，墩體兩側的垂線流速呈現出比較顯著的“S”型特征，流速分布不均且變化梯度較大，因此造成不同流速的水流相互剪切做工，達到了水流能量的大量消耗。

綜合以上分析，扭面式消能墩具有良好的消能效果，可以在低水頭水利工程泄水建筑物設計建設中采用。