高水頭尾礦庫場外排洪系統(tǒng)消力池體型研究

賈旺，黃桂兵，刁明軍

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都，610065)

1 前言

尾礦壩排水系統(tǒng)在排洪時流速高、水頭高，巨大能量沖擊消力池，容易造成消力池底板沖刷失穩(wěn)破壞，因此有必要對尾礦壩排水系統(tǒng)的水力特性進行研究。底流消能是泄洪建筑物常用的消能方式之一[1]。底流消能型式通過水躍來消能[2]，水躍引起的水面滾動和強烈湍流導(dǎo)致消力池內(nèi)能量損失，達到消能的目的[3]。底流消能具有消能后水流流態(tài)穩(wěn)定、對尾坎和側(cè)墻沖刷小、泄洪霧化小、消能效果顯著等優(yōu)點[4]。跌坎型底流消力池在傳統(tǒng)消力池首部設(shè)置一定高度的跌坎，其消能原理是利用跌坎后形成的水墊將水流與消力池底板隔離[5]，可有效降低消力池臨底流速，有利于消力池底板的安全穩(wěn)定。本文以某尾礦庫排洪系統(tǒng)工程為例，針對臥管下泄能量過大，消力池內(nèi)流態(tài)差和消能率低等問題，重點研究底流消力池的流態(tài)、臨底流速、時均壓強等水力特性，通過多方案比選，給出適應(yīng)性強、流態(tài)穩(wěn)定、消能充分的消力池體型。

2 工程概況

排洪系統(tǒng)由排洪臥管、排水斜管、消力池組成，臥管直徑3.6m，總長度1.8km。灰場處于山區(qū)河流溝段，洪峰流量和洪水總量都巨大，排洪臥管管線長，最大水頭達到130.7m。排洪臥管軸線在平面上有10處轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎段半徑為60m，在立面上存在4處邊坡點，最大坡度達到30%。本灰場設(shè)計級別為一級，灰場設(shè)計洪水標準為100年一遇，相應(yīng)洪水流量為165m3/s，校核洪水標準取500年一遇，相應(yīng)洪水流量為225m3/s。本試驗采用整體正態(tài)水力模型，水力模型水平比尺、垂直比尺為1∶30，本模型按重力相似準則設(shè)計。消能防沖設(shè)施采用底流消能型式，本試驗消能工采用跌坎消力池的形式消能。

底流消能因其流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高、尾水波動小、泄洪霧化影響小等優(yōu)點，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。高水頭大流量泄洪工程采用底流消能時，消力池底流速較大，容易造成消力池底板失穩(wěn)破壞[7]。因此，在消力池進口處設(shè)置跌坎，形成跌坎型消力池。這種新型底流消能工不僅能降低底部水力指標，而且能達到泄洪消能的目的，盡可能降低工程造價。

圖1 尾礦庫場外排洪系統(tǒng)三維模型

3 消力池體型優(yōu)化研究

本工程上下游水頭高，水流流速大，泄洪邊界復(fù)雜，場外排洪系統(tǒng)的泄流量較大，臥管出口消力池的泄洪消能水力特性對系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。模型試驗在保持消力池底板高程不變的情況下對兩種消力池體型進行了試驗研究。方案一：消力池體型長度為50m，寬為10m，尾坎高度2m；方案二：消力池體型長度為50m，寬為10m，尾坎高度3.5m。

3.1 方案一消力池水流流態(tài)

圖2和圖3為方案一消力池的流態(tài)圖。從圖中可見，消力池進口存在跌坎，消力池的流態(tài)為自由出流，由于入池流速大，尾坎較低，雍高水位有限，消力池內(nèi)無法形成完整水躍，水流入池后直接沖出消力池，尾坎無法達到壅水以消能的目的。該方案由于尾坎低，無法達到消能的效果，該方案不可取。

圖2 消力池水流流態(tài)

圖3 消力池池身流態(tài)

3.2 方案二消力池水力學特性

3.2.1 消力池內(nèi)水流流態(tài)

圖4和圖5為方案二消力池的流態(tài)圖。從圖中可見，消力池進口存在跌坎，消力池的流態(tài)為自由出流，自由出流時臥管的泄流能力較大，由于尾坎壅高水位，使得消力池內(nèi)發(fā)生水躍，且水躍過程比較完整，消力池內(nèi)尾坎附近水面波動不大，表明消力池消能效果良好。

圖4 消力池水流流態(tài)

圖5 消力池池身流態(tài)

3.2.2 消力池臨底流速

圖6為方案二消力池臨底流速。在校核工況下，消力池底板1/2位置臨底流速最大13.07m/s，消力池底板1/4位置臨底流速最大10.46m/s。

圖6 500年一遇工況消力池底板臨底流速

3.2.3 消力池底板時均壓強

圖7為方案二消力池底板時均壓強。在校核工況下，消力池底板1/2位置時均壓強最大7.29m；消力池底板1/4位置時均壓強最大6.67m。從表中可以看出，消力池底板中部以后壓強明顯較大，這是由于從臥管進入消力池的水流落點位于底板中部以后所致。盡管底板中部壓力相對較大，但該壓力對消力池底板安全不會造成明顯影響。

圖7 500年一遇工況消力池底板時均壓強

3.3 消力池方案比選

通過對兩種消力池方案的試驗，成果顯示：

方案一中消力池體型。消力池進口存在跌坎，消力池的流態(tài)為自由出流，由于入池流速大，尾坎較低，雍高水位有限，水深較淺，消力池內(nèi)無法形成完整水躍，水流入池后直接沖出消力池，尾坎無法達到壅水以消能的目的。該方案由于尾坎低，無法達到消能的效果，該方案不宜采用。

方案二中消力池體型。消力池進口存在跌坎，消力池的流態(tài)為自由出流，自由出流時臥管的泄流能力較大，由于尾坎壅高水位，使得消力池內(nèi)發(fā)生水躍，且水躍過程比較完整，消力池內(nèi)尾坎附近水面波動不大，表明消力池消能效果良好。方案二消力池臨底流速，在校核工況下，消力池底板1/2(中線)位置臨底流速最大13.07m/s，消力池底板1/4(橫向)位置臨底流速最大10.46m/s；方案二消力池底板時均壓強，在校核工況下，消力池底板1/2(中線)位置時均壓強最大7.29m，消力池底板1/4(橫向)位置時均壓強最大6.67m。總體而言，消力池底板上的臨底流速都較低，底板發(fā)生沖刷破壞的可能性較小，安全是有保障的。

經(jīng)過模型試驗流態(tài)觀察以及數(shù)據(jù)測量，綜合比較消力池的兩個方案，方案二的消能效果最佳，且投資較小。因此，本次模型試驗將方案二消力池體型，即池體型長度為50m，寬為10m，尾坎高度3.5m方案作為場外排洪系統(tǒng)消力池推薦方案。

4 結(jié)語

通過水工模型試驗，研究不同尾坎高度對跌坎型消力池水力特性的影響，試驗成果表明：在校核工況下，方案二消力池內(nèi)水躍過程比較完整，尾坎附近水流流態(tài)穩(wěn)定，消力池底板中線位置臨底流速最大13.07m/s，時均壓強最大7.29m，消力池體型長度為50m，寬為10m，尾坎高度3.5m方案作為場外排洪系統(tǒng)消力池推薦方案。本研究成果可供其它類似工程參考。