消力池設(shè)計(jì)體型對消能效果影響分析研究

曹喜

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

我國擁有2.8×104億m3的水資源總量，居世界第6，然而由于我國人口眾多，且水資源分布不均，導(dǎo)致人均河川徑流量不足世界平均水平的1/4，我國水資源需求與水資源占有量之間的矛盾十分顯著。因此，大力發(fā)展水利事業(yè)，合理開發(fā)利用水資源是我國解決水資源矛盾的必由之路。在水利水電工程中，上游水體進(jìn)行宣泄時，勢能轉(zhuǎn)化成大量的動能，導(dǎo)致下游消力池內(nèi)水流紊動劇烈，水流銜接與消能問題是要解決的首要問題，處理不好有可能威脅泄水建筑物本身及下游安全。

鑒于泄洪過程中消能效果的重要性，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了研究。杜俊慧等依托烏江銀盤水電站開展了泄水建筑物水工模型試驗(yàn)研究，研究分析了電站泄流能力及下游消能形式的選擇，并提出了具體設(shè)計(jì)思路[1]；鄧懿等基于寬尾墩消力池開展了泄洪消能模型試驗(yàn)研究，分析了消力池池長對池內(nèi)流態(tài)、流速等水力特性指標(biāo)的影響[2]；楊敏等基于模型試驗(yàn)研究，分析比較了跌坎消力池與傳統(tǒng)消力池的流速特征，指出跌坎消力池流速信息更加復(fù)雜[3]。本文結(jié)合某工程設(shè)計(jì)，對消力池進(jìn)行物理試驗(yàn)研究，結(jié)合其消能效果，對消力池體型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)方案，研究采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型范圍取溢洪道庫區(qū)100.0 m，溢洪道下游至出水渠200.0 m。模型試驗(yàn)比尺λL=40，流速比尺λv=λL0.5=6.325，流量比尺λQ=λL2.5=10 119，糙率比尺λn=λL1/6=1.849。

1.2 模型制作

在模型制作過程中，溢洪道上游庫區(qū)采用磚砌筑，并采用水泥砂漿對邊墻及底部抹面，同時最外層刷兩層防水涂料防止?jié)B水。物理模型中，上游庫區(qū)前沿長度為2.5 m，相當(dāng)于原型水庫中溢洪道上游100.0 m范圍。進(jìn)口段、泄槽段、下游消力池邊壁及底板均采用有機(jī)玻璃板制作，板厚10 mm。為保證模型糙率相似，在模型制作過程中，下游尾水段采用混凝土制作。上游進(jìn)水管采用電磁流量計(jì)控制進(jìn)流流量，下游尾水設(shè)有矩形量水堰對流量進(jìn)行校核。

2 模型試驗(yàn)與結(jié)果分析

為充分論證消力池設(shè)計(jì)體型對消能效果的影響規(guī)律，本文分別選取流量100，300，500 m3/s 進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 原消力池設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案中，消力池池長為100.0 m，池深8.0 m，分別結(jié)合不同流量條件開展試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)方案消力池在流量Q=100 m3/s 條件下發(fā)生淹沒式水躍銜接，消能率為74%；在Q=300 m3/s 時則轉(zhuǎn)變成遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，但此時消能效果尚好，消能率為76%；在Q=500 m3/s 時，消力池內(nèi)同樣發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍銜接，如圖1所示，但此時消力池水面不穩(wěn)定且脈動較大，躍首前后移動，消力池末端及下游尾水渠水面波動劇烈，主流不對稱，消能率僅為48%，說明在Q=500 m3/s 時，原設(shè)計(jì)消力池方案消能效果不能滿足工程要求，為此，需要對消力池原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 Q=500 m3/s 工況下原設(shè)計(jì)方案消力池內(nèi)流態(tài)示意圖

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案I

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)Q=500 m3/s 時，遠(yuǎn)驅(qū)水躍不穩(wěn)定可能是由消力池池深不足導(dǎo)致，因此，研究中加大消力池池深，進(jìn)而加大淹沒水深，有望改善水躍流態(tài)。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案I 將原消力池設(shè)計(jì)方案的池深調(diào)整為10.0 m，結(jié)合不同流量條件開展試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，在Q=100～300 m3/s 時，消力池內(nèi)水躍較為穩(wěn)定，同時由于下游淹沒水深增大，致使消力池內(nèi)的消能效果有所提升，消能率為80%左右；對于流量為Q=500 m3/s 工況時，消力池內(nèi)仍然發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，盡管水躍形態(tài)較原方案有所改善，如圖2所示，但池內(nèi)水面仍然表現(xiàn)不穩(wěn)定，且出池水流流態(tài)較差，消能效果不能滿足工程設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)一步對體型進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 Q=500 m3/s 工況下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案I 消力池內(nèi)流態(tài)示意圖

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Ⅱ

前期試驗(yàn)結(jié)果表明，通過加大消力池池深，增大淹沒水深可有效改善大流量條件下水躍的穩(wěn)定性，但由于消能不充分，進(jìn)而導(dǎo)致池內(nèi)水流紊動劇烈，水面起伏較大，因此，應(yīng)研究進(jìn)一步考慮如何提高消能率。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)流量Q=500 m3/s 時，消力池內(nèi)進(jìn)口處斷面傅汝德數(shù)Fr=15.6，此時若發(fā)生水躍，則為強(qiáng)水躍，躍后水面波動較大；根據(jù)底流消能原理，在消力池進(jìn)口處形成淹沒式水躍效果較好，由于泄槽末端水流流速和傅汝德數(shù)較大，要想達(dá)到較好的消能效果，只能加設(shè)消能工來解決。部分研究指出，當(dāng)上游來水流速過高、能量過大時，消力池內(nèi)水躍消能不充分，需要在消力池內(nèi)增加輔助消能工，如消能柵、趾墩、T 型墩、尾坎等來提高消能效果。T 型墩對消力池內(nèi)水流具有一定的阻擋作用，可以改變消力池內(nèi)水深，使池內(nèi)水躍提前發(fā)生。在T 型墩作用下，消力池內(nèi)水流發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，紊動劇烈，從而促使消能效果得到提升。劉文華、孫棟芬、江鋒等均對T 型墩消力池開展了物理模型試驗(yàn)研究，分析了其消能效果[4-6]。

鑒于前期研究及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，研究提出在消力池內(nèi)增加T 型墩對消力池進(jìn)行改進(jìn)。T 型墩消力池是在常規(guī)消力池加設(shè)一排消力墩，并與尾坎連成一整體，借助T 型墩及尾坎作用，將消力池內(nèi)水流進(jìn)行分散、撞擊、摻混及分割等，從而在坎前形成強(qiáng)迫水躍，隨后在坎后形成二次漩滾，池內(nèi)水流流態(tài)類似消力戽的水流流態(tài)。與常規(guī)消力池或組合式消力池相比，其消能工體積小，消能率卻較高，還可以縮短消力池長。同時，該優(yōu)化方案還可兼顧校核洪水流量，能滿足底流消能的基本要求，使水流與下游尾水渠有較好的銜接狀態(tài)。

根據(jù)國內(nèi)外的試驗(yàn)研究和工程實(shí)例，研究提出的優(yōu)化方案中，T 型墩在池內(nèi)排列的總寬度（阻水面積）約為池寬的50%，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖3，其各部分結(jié)構(gòu)尺寸比例A∶B∶C∶D∶E=2∶3∶4∶5∶6。圖3中，A為T型墩前墩厚，B為墩高，C為前墩寬，D為尾坎高，E為T 型墩支腿長。

圖3 T 型墩設(shè)計(jì)尺寸示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，在Q=100～500 m3/s 時，消力池內(nèi)均能發(fā)生穩(wěn)定的淹沒式水躍，池內(nèi)水面波動較小，尤其當(dāng)Q=500 m3/s 時，消力池內(nèi)水面穩(wěn)定，消能效果明顯得到提升，消能率由原設(shè)計(jì)方案的48%改善至85%左右，消能效果顯著，如圖4所示。然而，此時受T 型墩的影響，下游躍后水深明顯增加，達(dá)到11.5 m，超出原設(shè)計(jì)方案的8.0 m，出現(xiàn)水流外溢現(xiàn)象，由此表明，需要對原設(shè)計(jì)方案消力池邊墻進(jìn)行加高處理。上述試驗(yàn)結(jié)果充分說明在消力池中加設(shè)T 型墩后消能效果的改善是非常明顯的，可以達(dá)到工程設(shè)計(jì)的要求。

圖4 Q=500 m3/s 工況下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Ⅱ消力池內(nèi)流態(tài)示意圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合某工程設(shè)計(jì)案例，采用物理模型試驗(yàn)方法對消力池內(nèi)流態(tài)及消能效果進(jìn)行了分析，提出了消力池優(yōu)化思路，形成如下結(jié)論：傳統(tǒng)底流消力池對于小流量來流而言，消力池內(nèi)水面穩(wěn)定，消能效果較好，可以滿足工程設(shè)計(jì)要求；加大消力池池深，可有效改善大流量條件下消力池內(nèi)水流流態(tài)及消能效果，但改善效果有限，仍難以滿足工程設(shè)計(jì)需求，需增加輔助消能工；消力池內(nèi)加設(shè)T型墩，可有效滿足不同流量條件下的消能效果需求，極大地改善了消力池內(nèi)水流流態(tài)，滿足工程設(shè)計(jì)需求，推薦設(shè)計(jì)采用。