T形墩消力池消能率的計算及優化設計試驗

2012-09-06 10:29:30劉煥芳劉文華

水利水電科技進展 2012年6期

陸楊，劉煥芳，金瑾，劉文華，李強

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832003)

1 工程概況

肯斯瓦特水利樞紐工程位于新疆瑪納斯河中游的肯斯瓦特河段，距新疆石河子市約70 km，具有防洪、灌溉及發電等綜合利用功能。工程由攔河壩、右岸溢洪道、泄洪洞、發電引水系統組成，水庫正常蓄水位為 990 m，最大壩高為 129.77 m，總庫容為1.88億m3，控制灌溉面積為21萬 hm2，電站裝機容量為100 MW，設計年發電量為2.723億kW·h，屬大(2)型Ⅱ等工程［1］。本工程溢洪道位于右岸壩肩處，開敞式布置，由進口段、控制段、泄槽段、消能段、尾水渠組成，采用鋼筋混凝土或混凝土修建。溢洪道的消能防沖標準為50年一遇(設計保證率P=2%)，相應特征流量為532 m3/s;工程按500年一遇洪水(P=0.2%)進行設計，相應特征流量為1882m3/s;按5000年一遇洪水(P=0.02%)校核，相應特征流量為2096 m3/s。溢洪道的消能段采用底流消能的消力池方案，其中消力池池深5.0 m，全長80.0 m，寬度從18 m擴散至32 m，擴散角為4.3°，實際工程中未采用T形消力墩。

2 試驗概況

2.1 模型設計

模型按重力相似準則設計，根據試驗任務及工程性質，結合試驗設備、場地及精度，采用長度比尺λL=50的正態模型，模型長度取溢洪道150 m，溢洪道下游至出水渠216.8 m。其他水流物理量比尺如下:流速比尺 λv==7.071，流量比尺 λQ==17677.67，糙率比尺 λn==1.919。

按照上述比尺可進行原型和模型間的相互換算，模型糙率為

式中:np為原型糙率。

2.2 原設計方案模型試驗及存在的問題

對原設計方案重點進行了各典型流量Q=532 m3/s，300 m3/s，400 m3/s，800 m3/s，1000 m3/s下的消能防沖試驗。各典型流量下溢洪道末端入池斷面水深、流速分布見表1。試驗結果表明，原設計方案消力池在Q＜300 m3/s條件下均發生淹沒式水躍，獲得了較好的消能效果;Q=300 m3/s時發生遠驅式水躍，但此時消能效果尚好;Q=400～532 m3/s時，消力池內發生遠驅式水躍銜接，此時消力池水面脈動較大，躍首前后移動，池內流態極不穩定;Q＞800 m3/s時消力池末端及下游退水渠水面波動劇烈，主流不對稱，消能效果差，消力池遭到了嚴重的破壞。原設計方案不能滿足工程要求，為此需要對原消力池設計方案進行修改。

表1 典型流量下溢洪道末端入池斷面特征參數

2.3 修改設計方案模型試驗

根據國內外試驗研究與工程實踐［2－5］，T形墩是大流量變幅下底流消能的一種非常有效的輔助消能工，其體積小消能率卻較高，可以縮短消力池長度，同時兼顧設計洪水和校核洪水下底流消能的基本要求，從而達到消能的目的，使水流與下游退水渠有較好的銜接狀態。為此，在原設計方案的基礎上加設T形墩。

前期試驗發現，加設T形墩后，池長為50 m即可達到消能效果，故在T形墩優化試驗時選取50 m，52.5 m，55 m 3種池長進行對比試驗。同時，還發現在較大流量時，水流受到T形墩的直接阻擋會出現水位飆升的現象。流量增至一定值時，T形墩前墩位置處水流躍動很高，甚至可以濺向池外，水躍極不穩定。為了防止上述現象，模型在T形墩前墩和尾坎兩個位置處設置了防挑蓋板。帶防挑蓋板的T形墩消力池的平面布置及縱剖面見圖1。

圖1 T形墩消力池平面布置及縱剖面示意圖(高程單位:m，尺寸單位:mm)

根據原設計方案試驗結果，對流量、池長、T形墩的形式及支腿長度、防挑蓋板等5種因素對消力池消能效果的影響進行研究，發現在消力池中加設帶防挑蓋板的T形墩后消能效果非常明顯，不僅使得Q=532 m3/s時完全達到了工程設計要求，而且在超過消能防沖標準下消力池仍能發生淹沒水躍，效果較好，可以有效縮短池長約25%～50%。為此，對以上5種影響因素進行正交試驗。試驗正交組次安排見表2，T形墩各形式尺寸及阻水面積見表3。

表2 試驗正交組次安排

表3 T形墩各形式尺寸及阻水面積

3 T形墩消力池消能率計算公式推導及驗證

3.1 消能率計算公式的推導

衡量消能工優劣的一個很重要的指標是消能率［6］。由于水流在尾坎處會形成二次水躍，會消除部分下泄能量［7］，所以在計算T形墩消力池的消能率時，考慮第一次水躍躍前1—1斷面至躍后2—2斷面之間的總能量損失［8］，如圖2所示，根據能量方程得

1—1斷面總能量

2—2斷面總能量

圖2 T形墩消力池能量損失計算示意圖

令躍前斷面和躍后斷面的動量修正系數均為1，即α1=α2=1。T形墩消力池消能率

根據連續方程可知

將式(6)(7)代入式(3)得

將式(2)(9)代入式(4)得

式(10)既適用于B1≠Bt下的梯形消力池，同樣也適用于消力池坎后高程與池底高程不等(Δz≠0)的情況。對于坎后高程與池底高程相等的矩形消力池，即B1=Bt且Δz=0，此時T形墩消力池消能率的計算公式可簡化為

對于一般等寬、平底、無尾坎的消力池，可近似認為躍后水深ht與臨界共軛水深h″相等，即N=1。

3.2 計算值與實測值的比較

根據式(10)，池長為 52.5 m、流量為 300～1000 m3/s、加設帶防挑蓋板的T形墩(形式①)后的消能率計算值與實測值見圖3。從圖3可以看出，計算值與實測值擬合較好，說明式(10)滿足實際工程T形墩消力池消能率計算的精度要求。

圖3 T形墩消力池消能率計算值與實測值的比較

4 T形墩消力池池長的優化

T形墩消力池池長L0是從消力池入口到尾坎的距離，由消力池入口至前墩的距離x0及前墩至尾坎的距離所構成。圖4為T形墩(形式①)在不同池長時的消力池消能率隨流量的變化曲線。由圖4可以看出，當池長為50.0 m時消能率先隨流量增大而增大，流量達到400 m3/s時消能率達到峰值，而后逐漸減小;當池長為52.5 m時，消能率隨流量的增大而逐漸增大，直至流量增大至800m3/s時消能率趨于穩定。在其他條件不變且流量小于430 m3/s條件下，池長為50.0m時的消能率較高;流量大于430m3/s條件下，池長為52.5m時的消力池消能率最高。由以上分析可知，流量不變時，不同池長的消能率變化規律不同;池長不變時，不同流量的消能率變化規律也不同。考慮到肯斯瓦特水利樞紐工程流量變化范圍，加設T形墩后消力池的池長可設為52.5 m，較原設計方案提高了消能率，減少了開挖方量，工程效益相對較高。

圖4 不同池長時消能率隨流量的變化曲線

5 T形墩消力池墩形的優化

5.1 T形墩支腿長度的優化

T形墩支腿長度直接影響T形墩在消力池內的相對位置，進而影響 T形墩消力池的消能效果。圖5為池長為52.5 m，T形墩支腿長度為10 m，12 m，14 m 3種情況下消能率隨流量的變化曲線。由圖5可以看出，當T形墩支腿長度為10 m和14 m，流量大于500 m3/s時，消能率隨流量的增加逐漸降低;當T形墩支腿長度為12 m，流量增至800 m3/s時，消能率出現降低的趨勢。另外發現，流量小于500m3/s時，T形墩支腿長度為14 m時的消能率較高;而流量大于500 m3/s時，T形墩支腿長度為12 m時的消能率明顯高于支腿長度為10m和14m時的消能率且更穩定。通過對以上3種T形墩支腿長度消能效果的比較分析可知，T形墩支腿長度設計時存在一個最優支腿長度。在大流量變幅內，本次試驗確定支腿長度為12m時的消能率最高，且比較穩定。

圖5 不同支腿長度時消能率隨流量的變化曲線

5.2 T形墩體形的優化

目前，國內大多數工程T形墩體形結構尺寸比例為2∶3∶4∶5∶6(前墩厚 ∶墩高 ∶前墩寬 ∶尾坎高 ∶支腿長)，支腿厚度與前墩厚相同，即為傳統的湖南院體形［9－12］。有關T形墩的研究也基本是在此墩形基礎上進行，只是將其比例進行調整。肯斯瓦特試驗模型最初方案亦按上述比例設計，但試驗發現消能效果并不是很好。本次模型試驗設計時，改變了傳統的湖南院體形，調整了結構尺寸比例，并在支腿矩形、前墩矩形的基礎上對前墩和支腿的形式進行改進(表3)，并在原方案的基礎上加設防挑蓋板，以增強消能效果。

圖6為池長為52.5 m、加防挑蓋板的條件下，6種不同墩形的消能率隨流量的變化曲線。由圖6可以看出，不同墩形的消能率隨流量的變化趨勢基本相同:先隨流量的增大而增大，當流量增至800 m3/s左右時消能率達到峰值，而后隨流量的增大呈減小的趨勢。在小流量下，不同墩形的消能率比較接近，相鄰兩種形式的消能率差值較小;隨著流量的增大，相鄰兩種形式的消能率差值逐漸增大，直到流量增至800 m3/s時，相鄰兩種形式的消能率差值大小趨于穩定。

圖6 不同墩形時消能率隨流量的變化曲線

比較發現:在大流量變幅范圍內，本次試驗設計的6種墩形的消能率從小到大依次為③、④、①、⑤、②、⑥，即在相同流量下，支腿梯形、前墩弧形的 T形墩形式⑥的消能率最高;支腿梯形、前墩矩形的T形墩形式②的消能率次之。同傳統形式(形式①)比較，形式⑥、形式②、形式⑤的消能率均較大，由此得出在基本尺寸參數不變的前提下，T形墩前墩由矩形變為弧形(即形式①→形式⑤)或T形墩的支腿由矩形變為梯形(即形式①→形式②)，均能使相同流量下的消能率提高，且支腿形式的變化使相同流量下消能率提高的幅度更大。究其原因:①T形墩支腿由矩形變為梯形后，依然可以固定前墩，連接尾坎與前墩，但較矩形支腿增大了尾坎的阻水面積。當水流撞擊前墩后，順支腿斜面向下，遇到豎直的尾坎后與尾坎再次撞擊，進行了二次消能，故梯形支腿T形墩的消能率較矩形支腿的T形墩消能率高。②前墩迎水面由矩形變為弧形后，同一股水流撞擊前墩的時間與空間不同，且弧面對水流的反作用方向與矩形面不同。高速水流遇到矩形面消力墩后，位移方向與受到的反力方向一致，致使高速水流驟然躍起;而高速水流撞到弧面消力墩后，在回流過程中分散相互撞擊已消耗部分能量，將撞擊后的水流分散兩側，增加了水流的摻混作用，故前墩為弧形的T形墩的消能率較前墩為矩形的T形墩的消能率高。