泄洪洞消力池體型優(yōu)化及優(yōu)化體型的水力特性

劉長勇

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

底流消能是消能方式的其中一種，古老而成熟，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了許多試驗研究，它適用不同水頭、不同的地形地質(zhì)條件，流態(tài)穩(wěn)定。尤其是霧化影響小是其比較突出的優(yōu)點[1]。但在當(dāng)今高壩建設(shè)潮流中，這種消能方式在國內(nèi)外卻應(yīng)用很少，據(jù)統(tǒng)計國外大于100 m的403座高壩工程中，只有25座采取底流消能，其中壩高在200 m以上的只有3座[2]。隨著高水頭大壩的陸續(xù)增加，用于高水頭消能的底流消能工相應(yīng)亦有所增加。向家壩水電站因受環(huán)境限制，放棄挑流消能，轉(zhuǎn)而采用底流消能，就是一個非常典型的工程實例[3]。為了建設(shè)環(huán)境水利、生態(tài)水利，底流消能在高壩工程中的應(yīng)用的課題亟待進(jìn)一步研究解決。隨著水電開發(fā)難度越來越大，壩體升高，出現(xiàn)了一批以“大流量，高水頭，窄河谷”為特征的水利工程，消能難度加大，再加上嚴(yán)格的成本控制，也使得傳統(tǒng)的消能形式的改善以及新型消能工的提出刻不容緩[4]。近年來，我國在改善傳統(tǒng)消能工型式和研究新型消能工上碩果累累，如在二灘水電站、白山水電站等工程中應(yīng)用的高低坎大差動消能工[5]，在龍羊峽水電站中應(yīng)用的窄縫式消能工[6-7]，在安康、隔河巖、潘家口、五強(qiáng)溪、巖灘等水利工程中應(yīng)用的寬尾墩，在拓林水電站采用的摻氣分流墩以及在小浪底工程泄洪洞中采用的多級孔板消能工等。

1 泄洪洞消力池體型優(yōu)化及優(yōu)化體型的水力特性

1.1 Y型收縮墩體型參數(shù)及尾坎高度對消力池水流流態(tài)的影響

相對于矩形收縮墩，Y型收縮墩對改善躍首間歇性振蕩有一定的優(yōu)越性，而上述Y型收縮墩體型所出現(xiàn)的問題可通過改變體型參數(shù)來改善，因此本文將對Y型收縮墩體型參數(shù)對水流流態(tài)的影響做進(jìn)一步的研究。此外，不同側(cè)堰及尾坎高度對矩形收縮墩體型下消力池水流流態(tài)有一定的影響，同樣，對Y型收縮墩體型下消力池水流流態(tài)也有影響。

1.2 Y型收縮墩體型參數(shù)對消力池水流流態(tài)的影響

在總結(jié)上述Y型收縮墩體型試驗成果后，對收縮墩前部高度進(jìn)行降低，并適當(dāng)提高收縮墩尾部上頂點高度?？紤]到收縮射流交匯點較靠后，消力池內(nèi)消能效果欠佳，因此對Y型收縮墩的收縮比進(jìn)行了調(diào)整。后經(jīng)多次體型修改和試驗，最終確定出了較優(yōu)的Y型收縮墩體型。該Y型收縮墩體型為：收縮比ε=0.45，縱向長度L=12.0 m，前部高度5.5 m(距該斷面底部)，尾部上頂點距底部高度17.0 m。該Y型收縮墩體型如圖1所示。對該收縮墩體型進(jìn)行了試驗觀測，在收縮墩收縮面產(chǎn)生了較薄的水舌，自由射流狀態(tài)下交匯水流產(chǎn)生的水翅消失，淹沒狀態(tài)下很少有水流進(jìn)入收縮墩前部而與來流相互剪切引起水面大幅波動，池內(nèi)波動較小，收縮墩處流態(tài)較好。收縮墩前部斷面處水面略高于收縮墩，頂部水流沿收縮墩頂部斜收縮面挑射形成較薄水舌，收縮墩交匯水流形成的水翅在較薄水舌的抑制作用下消失；收縮墩處形成的收縮射流和較薄的擴(kuò)散射流，增加了消力池池首位置處水流的摻氣，消力池內(nèi)水流摻氣率較高，消能率較大。消力池內(nèi)水面較為平緩，波動較小。消力池尾坎及側(cè)堰出流均勻，無明顯水流涌高和擺動?？梢?，在合適的消力池尾坎和側(cè)堰高程下，采用該Y型收縮墩體型時收縮墩與消力池內(nèi)的流態(tài)較好。

圖1 Y型收縮墩體型圖(單位:m)

2 不同側(cè)堰體型及尾坎高度對消力池水流流態(tài)的影響

2.1 側(cè)堰前低后高體型

借鑒體型優(yōu)化階段一中優(yōu)化試驗成果，采用前低后高側(cè)堰，上游側(cè)高度取20 m，下游側(cè)高度取28 m。該體型下，尾坎處出流較少，水流順暢，下游沖刷較輕；而側(cè)堰上游側(cè)出流較多，水層較厚，側(cè)堰處出流擴(kuò)散不均勻。

為了使側(cè)堰出流均勻，同時加大消力池內(nèi)水深，增加收縮墩后收縮射流淹沒度，將側(cè)堰上游側(cè)高度提高至24 m，下游側(cè)高度不變，仍為28 m。從流態(tài)可以看出，側(cè)堰出流流態(tài)有所改善，但由于消力池內(nèi)流速較小，上游側(cè)出流仍較多，出流擴(kuò)散不均勻。

2.2 側(cè)堰兩端齊平體型

鑒于側(cè)堰上游側(cè)高度為24 m，下游側(cè)高度為28 m高程時，消力池出流仍不均勻，因此采用兩端齊平側(cè)堰體型。同時，原側(cè)堰體型下，消力池內(nèi)為自由射流流態(tài)，因此，將側(cè)堰上游側(cè)加高至28 m高度。

對該側(cè)堰體型下進(jìn)行了試驗觀測，收縮墩后收縮射流淹沒較大，收縮墩頂部為不完全水躍的回流，與泄洪洞出流產(chǎn)生的強(qiáng)烈剪切引發(fā)池內(nèi)大幅波動和振蕩，消力池內(nèi)水面較高，時有水流溢出兩側(cè)邊墻，尾坎及側(cè)堰出流不穩(wěn)定，流態(tài)較差。因此，對消力池尾坎及側(cè)堰高度進(jìn)行了多次優(yōu)化和試驗，試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)側(cè)堰高度為25.5 m，尾坎高度為22.5 m時，消力池內(nèi)流態(tài)為底部為淹沒射流流態(tài)、上部為略淹沒底流流態(tài)的混合流態(tài)。該體型下，收縮射流在池內(nèi)交匯后擴(kuò)散，收縮墩上收縮面產(chǎn)生了較薄的擴(kuò)散射流，并與池內(nèi)交匯。收縮墩交匯水流在擴(kuò)散射流的作用下未產(chǎn)生水翅，同時也很少有水流進(jìn)入收縮墩前部，而與無壓洞出流發(fā)生強(qiáng)烈剪切引發(fā)水面大幅波動和振蕩。池內(nèi)水流摻氣較大，水面波動較小，尾坎及側(cè)堰出流均勻穩(wěn)定，大部分水流從側(cè)堰進(jìn)入二次消力池，尾坎出流較少，對下游沖刷較有利，流態(tài)較好。

2.3 不同側(cè)堰及尾坎高程

通過對上述Y型收縮墩體型對消力池水流流態(tài)影響的試驗研究，確定了上述較優(yōu)的Y型收縮墩體型，該收縮墩體型下，收縮墩上收縮面形成了較薄擴(kuò)散射流，對交匯水流水翅起到了較好的抑制作用，也減緩了在略淹沒時消力池內(nèi)部分水流進(jìn)入收縮墩前部，與來流產(chǎn)生強(qiáng)烈剪切而引起水面大幅波動和振蕩。在Y型收縮墩體型下，消力池內(nèi)流態(tài)會因尾坎及側(cè)堰的高度不同而出現(xiàn)三種基本流態(tài)：

(1)尾坎及側(cè)堰高度較低時的自由射流流態(tài)。此時消力池內(nèi)水面較低，收縮墩后的收縮射流與收縮墩頂部斜面的擴(kuò)散射流處于自由射流狀態(tài)，下部收縮水流在墩后池內(nèi)交匯并擴(kuò)散，頂部形成擴(kuò)散射流后與池內(nèi)交匯，原來在下部收縮交匯后形成的水翅因擴(kuò)散射流的抑制作用而消失。但交匯水流與池內(nèi)水流碰撞，部分飛濺出消力池；消力池內(nèi)水面較低，波動較大；池內(nèi)水流在尾坎及側(cè)堰處出現(xiàn)涌動。流態(tài)不理想。

(2)淹沒射流與略淹沒底流復(fù)合流態(tài)。當(dāng)抬高消力池尾坎及側(cè)堰至適當(dāng)高度時(側(cè)堰高度：25.5 m；尾坎高度：22.5 m)，收縮墩收縮射流與擴(kuò)散射流處于略淹沒狀態(tài)，交匯水流形成的水翅消失，池內(nèi)水流摻氣率較高，消能率較大；池內(nèi)水面波動較小，尾坎及側(cè)堰出流穩(wěn)定，消力池內(nèi)流態(tài)較好。

(3)尾坎及側(cè)堰高度較高時的淹沒射流與過淹沒底流復(fù)合流態(tài)。消力池內(nèi)水深較深，收縮墩處的收縮射流與擴(kuò)散射流被完全淹沒，而收縮墩頂部為淹沒漩滾水躍，水躍躍首位置靠前，位于收縮墩前部，漩滾水躍與無壓洞來流發(fā)生強(qiáng)烈剪切，從而引發(fā)消力池內(nèi)水面的大幅波動和振蕩；池內(nèi)水面較高，在大幅波動和振蕩的作用下，消力池兩側(cè)邊墻時而有水流涌出；消力池尾坎及側(cè)堰出流也因池內(nèi)水面振蕩而不穩(wěn)定。消力池及出流流態(tài)較差。對不同側(cè)堰及尾坎高度下消力池水流流態(tài)的試驗對比分析表明，消力池內(nèi)較理想流態(tài)為淹沒射流與略淹沒底流的復(fù)合流態(tài)，只要Y型收縮墩體型參數(shù)以及側(cè)堰與尾坎高度適宜，即可保證該流態(tài)的實現(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1)本文通過對消力池體型進(jìn)行優(yōu)化試驗研究，表明僅通過優(yōu)化泄洪洞出口連接段的曲線體型、消力池側(cè)堰與尾坎體型等局部優(yōu)化措施，難以徹底改善消力池內(nèi)不穩(wěn)定振蕩流態(tài)。

(2)Y型收縮墩加側(cè)堰體型消力池整體流態(tài)較理想，水面線較常規(guī)消力池體型有明顯降低，池內(nèi)水面波動幅度約在3～5m，波動相對較小，消力池整體波動較均勻穩(wěn)定，常規(guī)消力池躍首處出現(xiàn)的間歇性振蕩流態(tài)基本消除，出池水流的大部分流量被側(cè)堰所分擔(dān)，單寬流量大大減小，下游沖刷明顯減輕。

(3)與常規(guī)消力池壓強(qiáng)對稱分布不同，Y型收縮墩體型消力池的壓強(qiáng)分布表現(xiàn)出非對稱的三元特性，消力池中前部紊動劇烈，表現(xiàn)出的三元特性較突出，而消力池后部壓強(qiáng)分布則趨于均勻。在消力池進(jìn)口處，水流經(jīng)收縮墩收縮后形成收縮射流，直接沖擊消力池底板，在進(jìn)口處形成小范圍沖擊區(qū)，壓強(qiáng)較大，但是否對底板的結(jié)構(gòu)安全造成安全還需進(jìn)一步驗證。