T型墩對(duì)消力池消能效果影響的模型試驗(yàn)與體型優(yōu)化研究

鄧 燕

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局開(kāi)都-孔雀河管理處解放二渠管理站，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

某水電站屬于典型的河道式徑流電站，裝機(jī)總?cè)萘繛?50 MW，兼有防洪和灌溉功能，屬于綜合性小Ⅱ型水利工程，主要水工建筑物有混凝土重力壩、電站及附屬水工建筑。電站的大壩為碾壓混凝土重力壩壩型設(shè)計(jì)，壩軸線長(zhǎng)231 m，壩頂寬8.0 m，壩基高程574.0 m，壩頂高程603.5 m，最大壩高29.5 m。其中，溢流壩段主要由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段以及出水渠段五部分組成，設(shè)計(jì)洪水流量為495.05 m3/s，校核洪水流量為946 m3/s。在水利水電工程施工過(guò)程中，泄流建筑物中的高速水流往往蘊(yùn)含著較大的動(dòng)能，不僅會(huì)威脅泄水建筑物本身的安全，還會(huì)對(duì)下游的河道和河床造成顯著的空蝕和沖刷破壞[1]。顯然，僅憑消力池實(shí)現(xiàn)下瀉水流的消能，需要較大的設(shè)計(jì)深度，需要大幅增加施工成本和難度。因此，在電站的設(shè)計(jì)中擬采用T型寬尾墩-消力池聯(lián)合消能工，提高消能效果[2]。目前，消力池 T型墩多采用矩形形狀，且布置形式比較單一，存在較大的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間[3]?；诖?，本次研究以電站消力池為工程背景，利用模型試驗(yàn)的方法展開(kāi)消力池T型墩體型優(yōu)化研究，以便為某電站消力池設(shè)計(jì)提供必要的支持和借鑒。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型設(shè)計(jì)

圖1 模型的平面布置示意圖

1.2 模型的制作

為了便于進(jìn)行水流流態(tài)的觀測(cè)，模型的進(jìn)口段、泄槽段以及出口消能段的側(cè)墻的均采用厚度為8 cm的有機(jī)玻璃板制作，而控制段以及泄槽段和消力池的底板則采用厚度為10 cm的PVC塑料板制作，以保證模型的穩(wěn)固性[6]。溢洪道上游的庫(kù)區(qū)部位采用混凝土磚砌筑，外表面用C25混凝土砂漿抹面壓光，退水渠段用素混凝土制作，并在表面粘貼厚度為5 mm的有機(jī)玻璃板，以模擬該段的糙率[7]。消力池的尾坎采用PVC板制作模塊并粘合而成。為了達(dá)到模型和實(shí)際工程的幾何相似性，在模型制作完畢之后，對(duì)各部位的幾何尺寸和高程進(jìn)行必要的測(cè)量檢查，同時(shí)對(duì)模型的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行必要的檢驗(yàn)。在正式試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)模型進(jìn)行試水試驗(yàn)，對(duì)存在漏水和滲水的部位進(jìn)行必要的粘合修復(fù)[8]。此外，模型制作所使用的PVC板和有機(jī)玻璃板的糙率與模型要求基本相當(dāng)，在相似性誤差的控制范圍之內(nèi)，因此模型的設(shè)計(jì)和制作均滿足模型試驗(yàn)的相關(guān)要求，可以用于下一步的試驗(yàn)研究。

1.3 試驗(yàn)方法

在模型試驗(yàn)過(guò)程中，需要用到的儀器有流速儀、測(cè)針、量水堰、畢托管、鋼板尺以及測(cè)壓管，擁有試驗(yàn)過(guò)程中各種水力參數(shù)的測(cè)量。具體而言，在模型的回水渠末端設(shè)置直角三角形量水堰，測(cè)量過(guò)水流量；利用鋼板尺測(cè)量沿程水深數(shù)據(jù)，由于消力池內(nèi)有水躍產(chǎn)生，水流的紊動(dòng)作用比較強(qiáng)烈，因此水面線的浮動(dòng)較大，在水深測(cè)量過(guò)程中需要在同一測(cè)點(diǎn)停留30 s，在水面停留2/3時(shí)間的數(shù)值作為該測(cè)點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)；流速的測(cè)量利用測(cè)壓管的水頭差計(jì)算獲取[9-10]，公式為：

(1)

式中：v為測(cè)點(diǎn)流速，m/s；Δh為測(cè)壓管水頭差，m。

在測(cè)量過(guò)程中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)記錄三次數(shù)據(jù)，以其均值作為流速的最終測(cè)量結(jié)果。在模型試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)消力池的躍前和坎上水深、流速、流量以及兩端面的高程，即可計(jì)算獲取消力池的消能率，通過(guò)T型墩消力池的消能率的對(duì)比分析，對(duì)不同體型和布置形式的T型墩的消能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[11-12]。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 消力板的影響結(jié)果分析

為了研究消力板對(duì)T型墩消能工消能效果的影響，研究中在無(wú)消能板的原始設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，在T型墩的兩個(gè)迎水面全部設(shè)置消力板。消力板與T型墩的前墩固定在一起的部分應(yīng)水流防線安裝凸起的部分，后部則與T型墩的前墩相連，擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)為40°的傾斜角度，厚度為前墩高度的1/4，也就是1.0 m[13-15]。

利用上節(jié)設(shè)計(jì)的模型，對(duì)消力池內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部調(diào)整，在不同泄流量條件下進(jìn)行模型試驗(yàn)。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)有無(wú)消力板兩種工況下的泄水結(jié)構(gòu)水力特征進(jìn)行計(jì)算，獲得水躍高度和消能率與泄流量之間的關(guān)系，結(jié)果如表1所示。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，在所有的情況下，設(shè)置消力板可以顯著降低水躍高度同時(shí)提高消能工的消能率。因此，設(shè)置消力板可以提高消能效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

表1 有無(wú)消力板消能特征計(jì)算結(jié)果

2.2 T型墩位置影響的計(jì)算結(jié)果與分析

鑒于T型墩的支腿長(zhǎng)度與消力池的池長(zhǎng)、前墩邊緣與消力池進(jìn)水口的距離以及前趾長(zhǎng)度之間具有線性關(guān)系，因此研究中以支腿長(zhǎng)度作為T(mén)型墩位置的主要表征量，結(jié)合工程的設(shè)計(jì)資料，在添加消能板設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，提出11 m、13 m和15 m三種不同的支腿長(zhǎng)度，并結(jié)合不同支腿長(zhǎng)度對(duì)消力池內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部調(diào)整，在不同泄流量條件下進(jìn)行模型試驗(yàn)。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)不同泄流量水平下的消能率進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，在各種泄流量水平下，支腿長(zhǎng)度為11 m時(shí)的消能率最低；當(dāng)泄流量較大接近校核流量時(shí)，支腿長(zhǎng)度13 m時(shí)的消能率最大；當(dāng)泄流量相對(duì)較小，接近設(shè)計(jì)流量時(shí)，支腿長(zhǎng)度15 m時(shí)的消能率最大。雖然東北地區(qū)的水利工程，一般會(huì)處于小水狀態(tài)，但是受當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯挠绊?，也不排除出現(xiàn)較大洪峰的可能性，因此水利工程設(shè)計(jì)必須要將安全放在突出地位。同時(shí)，減小支腿長(zhǎng)度還有利于降低施工成本，所以12 m的支腿長(zhǎng)度應(yīng)該為消能效果最佳的設(shè)計(jì)方案。

圖2 不同支腿長(zhǎng)度消能率隨泄流量變化曲線

2.3 T型墩墩型影響的計(jì)算結(jié)果與分析

前文指出，目前的T型墩墩型設(shè)計(jì)均為矩形形狀，分析認(rèn)為其他形狀的墩型或許可以取得更好的消能效果。基于此猜想，在添加上節(jié)最優(yōu)位置的前提下，結(jié)合T型墩前墩和后墩的不同型式設(shè)計(jì)，獲得如表2所示的墩型計(jì)算方案表。

表2 不同墩型設(shè)計(jì)表

利用上節(jié)設(shè)計(jì)的模型，對(duì)消力池內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部調(diào)整，在不同泄流量條件下進(jìn)行模型試驗(yàn)。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得不同墩型、不同流量水平下的消能率，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，各墩型消能率隨泄流量的變化規(guī)律基本一致，均為線增大后減小。在流量低于800 m3/s的情況下，消能率隨著泄流量的增加而增大，當(dāng)流量高于800 m3/s的情況下，消能率隨著泄流量的增加而減小。從不同的墩型對(duì)比來(lái)看，本文提出的6中T型墩型式按照消能率的大小排列順序?yàn)椋憾招?、墩型2、墩型5、墩型1、墩型4和墩型3。由此可見(jiàn)，無(wú)論在何種泄流量水平下，墩型6的消能效果均為最佳，為推薦墩型設(shè)計(jì)。該墩型的前墩迎水面為弧形，可以有效改善該部位的水流流態(tài)，并在凹陷部位形成絮流，消減一部分水流能量；梯形的支腿可以使尾坎的橫截面積增大，顯著增加了阻水所用，因此消減的能量也明顯增加。上述兩方面的作用，使墩型6獲得了較高的消能率。

圖3 不同墩型消能率隨泄流量變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

此次研究以某水電站為工程背景，利用模型試驗(yàn)的方法對(duì)T型墩的體型設(shè)計(jì)對(duì)消力池消能效果的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)設(shè)置消力板可以提高消能效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

(2)當(dāng)泄流量較大時(shí)，支腿長(zhǎng)度13 m時(shí)的消能率最大；當(dāng)泄流量相對(duì)較小時(shí)，支腿長(zhǎng)度15 m時(shí)的消能率最大。綜合考慮水利工程的安全性和工程成本，建議支腿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為12 m。

(3)采用前墩梯形、后墩弧形的T型墩墩型消能率最高，可以獲得最佳消能效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。