阿爾塔什導流洞消力池水力特性研究

李彥坡,李會平,緱文娟,孟 濤

(1.新華水力發(fā)電有限公司，北京 100070;2.天津大學 建筑工程學院，天津 300350;3.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

消力池底板破壞在水利工程運行中時有發(fā)生。泄水建筑物下泄的高速水流具有巨大的能量和相當大的沖刷破壞能力。如果不對高速水流加以控制會對建筑物造成破壞，底流消能是水利工程中常見的消能方式，流態(tài)穩(wěn)定、消能率高、對地質(zhì)條件要求較低，尾水水位變化適應性較強[1]。底流消能工應用于高水頭、大單寬流量泄洪工程時，由于底流消能工是通過水躍進行消能的，水流紊動強烈，能量耗散主要集中在消力池前半?yún)^(qū)，作用在消力池的臨底流速、動水壓強等往往會較大，會直接影響消力池的底板穩(wěn)定，容易造成消力池底板破壞[2- 3]，對底板的防沖保護難度很大。

近幾年來，國內(nèi)外接連發(fā)生了消力池底板失穩(wěn)的事件，再一次將泄流防護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題擺在了科技工作者的面前。臨底流速是底流消能工的一項重要的水力學指標，水流脈動壓強的存在增大了消力池底板所承受的瞬時荷載、提高了對消力池底板強度和穩(wěn)定性的要求[4- 7]。王康柱[8]分析了泄洪消能建筑物破壞原因，李杰[9]、郭麗等[10]結(jié)合工程實例，研究了底流消力池的水力特性，柳瑩[11]、翟靜靜等[12]合實際工程研究了泄水建筑物的出口消能問題。本文通過1∶50水工模型試驗重點研究了阿爾塔什導流洞消力池的水流流態(tài)、臨底流速、時均壓強、脈動壓強的沿程分布情況；并對比了尾坎體型對水動力特性的影響，給出了相對較優(yōu)的尾坎體型。

1 模型情況介紹

1.1 消力池體型

消力池底高程1651.00m，尾渠底高程1657.00m，消力池長78.00m，消力池為矩形斷面，消力池凈寬30.00m、邊墻凈高21.22m。消力池體型如圖1所示。

圖1 消力池體型(原體型)(單位：標高和樁號的單位m；長度單位mm)

1.2 尾坎體型優(yōu)化

為了研究尾坎反坡及尾坎高度對水動力特性的影響，分別對尾坎加高1.5m、30°反坡尾坎未加高、30°反坡尾坎加高1.5m進行了試驗研究，尾坎體型如圖2所示。

圖2 導流洞消力池尾坎體型(單位:m)

1.3 模型比尺及試驗工況

利用1∶50導流洞單體水工模型，分別對導流設計洪水工況(P=5%枯水)、導流設計洪水工況(P=5%全年)2個典型工況開展模型試驗研究。工況具體情況見表1。

表1 試驗工況

2 原體型水力特性

2.1 流態(tài)

原體型模型試驗流態(tài)照片如圖3所示。

圖3 導流洞消力池流態(tài)(模型試驗照片)

從圖3模型試驗照片可以看出：

(1)導流設計洪水工況一,消力池流態(tài)及出池水流平穩(wěn)；水躍發(fā)生在斜坡擴散段及陡坡段，斜坡擴散段水流擴散充分；進入消力池的水流旋滾已經(jīng)很小，消力池內(nèi)水流比較平順，水面起伏不大，水深基本保持在13.75m，比下游水位高約0.5m；出池水流在護坦段無水面跌落，下游水流平穩(wěn)。

(2)導流設計洪水工況二，水躍躍首基本發(fā)生在消力池前陡槽末端，池內(nèi)形成接近臨界水躍，水體旋滾劇烈；消力池內(nèi)水流出現(xiàn)大幅波動，最大水深在19.0m左右，高出下游水位約4.4m，距邊墻頂部約2.2m，雖然未超過邊墻頂部但因水面波動較大有超過邊墻高度的趨勢；出池水流流態(tài)不佳。

2.2 臨底流速

模型試驗實測消力池中線的臨底流速分布如圖4所示。

圖4 臨底流速沿程分布圖

從模型實測臨底流速沿程分布圖4可以看出：

(1)導流設計洪水工況一，最大臨底流速發(fā)生在消力池前斜坡擴散段樁號0+845.000m處，最大臨底流速為14.71m/s；消力池段臨底流速比較小，在1.0～1.3m/s；出池后護坦段最大臨底流速發(fā)生在樁號0+1024.586m，最大臨底流速為3.87m/s。

(2)導流設計洪水工況二，最大臨底流速發(fā)生在消力池前斜坡擴散段樁號0+865.6m處，最大臨底流速為19.55m/s，隨后臨底流速逐漸減小，在消力池末端達到最小值2.67m/s；出池臨底流速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，出池后最大臨底流速發(fā)生在樁號0+1044.586m處，最大臨底流速為11.84m/s。

(3)相比于導流設計工況一(5%枯水)，導流設計工況二(5%全年)的上游庫水位、流量有很大提升，而2個工況的下游水位即消力池水深相差很小；導致工況二的臨底流速比工況一大幅增加，消力池前陡坡段和池后護坦段的最大臨底流速增幅分別為32.90%和205.94%。

2.3 動水壓強

模型實測消力池中線的時均壓強、脈動壓強均方根沿程分布如圖5所示。

圖5 動水壓強沿程分布圖

從模型實測動水壓強沿程分布圖5可以看出：

(1)時均壓強，時均壓強基本呈現(xiàn)沿程先減小后增大再減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢，在消力池前斜坡段躍首處時均壓強最小。工況一、工況二的躍首分別出現(xiàn)在樁號0+865.6m、0+978.9m處，對應的時均壓強分別為2.75×9.8kPa和4.50×9.8kPa。

(2)脈動壓強：脈動壓強均方根在池前斜坡段和消力池段基本呈現(xiàn)沿程先增大后減小的趨勢，工況一、工況二的脈動壓強最大值分別出現(xiàn)在樁號0+870.0m、0+937.6m處，對應的最大脈動壓強分別為1.02×9.8kPa和1.79×9.8kPa；脈動壓強均方根在護坦段靠近消力池尾坎處出現(xiàn)一個比較大的值后迅速減小趨于穩(wěn)定，工況一、工況二的脈動壓強最大值均出現(xiàn)在0+985.6m處，對應的最大脈動壓強分別為0.51×9.8kPa和1.94×9.8kPa。

3 尾坎體型對水力特性的影響

3.1 臨底流速

消力池不同尾坎形式的臨底流速沿程分布對比如圖6所示。

圖6 不同尾坎形式對臨底流速沿程分布的影響

由圖6中“原體型”與“30°反坡尾坎未加高”兩種體型的臨底流速對比可知：兩種工況下尾坎處是否設置反坡對臨底流速的影響不大，兩種體型臨底流速的沿程變化趨勢及大小基本一致。

由圖6中“原體型”與“尾坎加高1.5m”臨底流速對比、“30°反坡尾坎未加高”與“30°反坡尾坎加高1.5m”臨底流速對比可知：尾坎加高后，工況一時，消力池前斜坡段臨底流速有所降低、消力池段與池后護坦段臨底流速幾乎不受影響；工況二時，消力池前斜坡段、消力池前端臨底流速均有所降低，消力池段后段與池后護坦段臨底流速幾乎不受影響。

3.2 動水壓強

消力池不同尾坎形式的時均壓強沿程分布對比如圖7所示，脈動壓強均方根沿程分布對比如圖8所示。

圖7 不同尾坎形式對時均壓強沿程分布的影響

圖8 不同尾坎形式對脈動壓強均方根沿程分布的影響

由圖7—8中“原體型”與“30°反坡尾坎未加高”的動水壓強對比、“原體型”與“尾坎加高1.5m”動水壓強對比、“30°反坡尾坎未加高”與“30°反坡尾坎加高1.5m”動水壓強對比可知：

(1)時均壓強，工況一時由于消力池水流流態(tài)及出池水流平順，消力池尾坎處是否設置反坡和尾坎是否加高對時均壓強的影響都不大；工況二時消力池尾坎處是否設置反坡對時均壓強的影響不大，尾坎加高后消力池段的時均壓強略有增加。

(2)脈動壓強，工況一時由于消力池水流流態(tài)及出池水流平順，消力池尾坎處是否設置反坡和尾坎是否加高對脈動壓強均方根的影響不大，尾坎加高時脈動壓強均方根最大值略有前移；工況二時尾坎處的反坡對脈動壓強均方根的影響不大，尾坎加高后消力池段的脈動壓強均方根最大值有明顯降低。

3.3 尾坎影響及方案比選

(1)尾坎影響，相比于消力池尾坎處的反坡，尾坎高度對水力特性的影響更明顯。尾坎處設置反坡對臨底流速、時均壓強、脈動壓強均方根幾乎沒有影響。尾坎高度對時均壓強略有影響，對臨底流速和脈動壓強均方根的影響相對較大；消力池前斜坡段及消力池前端臨底流速隨尾坎加高而減小，大流量時時均壓強隨尾坎加高略有增加、消力池段脈動壓強均方根最大值隨尾坎加高而減小。

(2)方案比選，試驗范圍內(nèi)，脈動壓強均方根都不大，但導流設計工況二時水流旋滾劇烈、水面波動較大、出池流速較大。尾坎適當加高能起到穩(wěn)定消力池流態(tài)的作用，綜合考慮消力池內(nèi)流態(tài)及出池流速，以30°反坡尾坎加高1.5m較優(yōu)，主要體現(xiàn)在消力池前陡坡段及出池流速均有所降低。

4 結(jié)語

本文基于1∶50水工模型試驗研究了阿爾塔什導流洞消力池的水力特性及尾坎體型對水力特性的影響，主要結(jié)論如下：

(1)兩種工況最大臨底流速均發(fā)生在消力池前端斜坡擴散段。

(2)時均壓強基本呈現(xiàn)沿程先減小后增大再減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。

(3)沿程脈動壓強均方根都較小，脈動壓強均方根在池前斜坡段和消力池段基本呈現(xiàn)沿程先增大后減小的趨勢，在護坦段靠近消力池尾坎處出現(xiàn)一個比較大的值后迅速減小趨于穩(wěn)定。

(4)相比于消力池尾坎處的反坡，尾坎高度對水力特性的影響更明顯，尾坎適當加高能起到穩(wěn)定消力池流態(tài)的作用。綜合考慮消力池內(nèi)流態(tài)及出池流速，30°反坡尾坎加高1.5m體型較優(yōu)。