消力池內(nèi)懸柵輔助消能工優(yōu)化試驗

吳戰(zhàn)營，牧振偉

(1．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052;2．新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊 830000)

消力池是一種常見底流消能形式［1-5］，但其消能效率通常較低，工程量較大，因此通常需設(shè)置各種形式的輔助消能工［6-9］。近年來，我國學(xué)者對輔助消能工的水力特性研究較多，并取得了一些研究成果。懸柵消能工是一種消能率較高的新型輔助消能工［10］，在消力池內(nèi)利用水躍和懸柵共同消能，但不同于設(shè)置懸柵的泄水陡槽。懸柵消能工和其他輔助消能工聯(lián)合運用的情況未見報道，深入研究懸柵消能工與其他輔助消能工聯(lián)合運用的形式對改善消力池內(nèi)水流流態(tài)和優(yōu)化懸柵輔助消能工結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實意義。本文以新疆迪那河五一水庫溢洪洞消力池水力學(xué)模型為例，采用試驗方法研究梯形墩、T形墩、懸柵等輔助消能工聯(lián)合運用情況下的水力特性和消能效率。

1 工程概況

迪那河五一水庫樞紐工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺縣群巴克鄉(xiāng)境內(nèi)，距輪臺縣以北40 km，是迪那河干流上的控制性工程，具有供水、防洪、灌溉等綜合效益，由大壩、溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、發(fā)電引水隧洞和壓力管道等主要建筑物組成。水庫正常蓄水位1370.00 m，最大壩高102.5 m，設(shè)計洪水位1370.69m，校核洪水位1373.17 m，初期導(dǎo)流最高水位1321.29 m，后期導(dǎo)流最高水位1334.26 m，溢洪洞設(shè)計流量1351.97m3/s，校核流量1767.16 m3/s。溢洪洞布置在左岸導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞的外側(cè)，其軸線與壩軸線的夾角為68°，由進口引渠段、控制段、洞身段、陡坡段、消力池段及出口明槽段組成。進口引渠為復(fù)式梯形斷面，長426.106m，底板高程1353.50m，底板寬度15 m。控制段為開敞式進口，采用WES堰型，堰頂高程 1358.00 m，堰寬15 m。控制段設(shè)平板檢修門、弧形工作門各1道。洞身縱坡為0.05，采用城門洞形斷面。消力池長83m，底寬18 m，墻高23m，底板高程1274.70 m，坎頂高程1281.00 m，墻頂高程1297.70m，消力池內(nèi)末端布置T形墩消能工。出口明槽段長30m，寬18m。溢洪洞消力池原設(shè)計方案結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 溢洪洞消力池原設(shè)計方案結(jié)構(gòu)布置示意圖 (單位:m)

2 模型設(shè)計

模型按照重力相似準則設(shè)計，根據(jù)試驗內(nèi)容以及供水、場地等條件，再考慮溢洪洞模型有機玻璃板的標準尺寸問題，模型幾何比尺為54.167，模型模擬長度為1340 m，其中模擬壩軸線上游460 m，采用定床模型;模擬壩軸線下游880 m，導(dǎo)流洞出口末端以后采用動床模型。模型總長25 m，壩軸線上游平均寬度為6 m，下游平均寬度為2 m。模型設(shè)計采用的幾何比尺、流量比尺、流速比尺、糙率比尺、時間比尺分別是 54.167、7、7.36、1.945、7.36。

3 原設(shè)計方案試驗

溢洪洞的城門洞出口斷面(0+574.635)在設(shè)計流量及校核流量運行工況的平均流速分別為25.88 m/s和29.11 m/s。在設(shè)計流量時，由于水躍的躍前斷面流速較大，梯形墩位于城門洞出口反弧段末端附近，高速水流直接擊打梯形墩的迎水面，水流受到梯形墩的阻擋被挑射到空中，造成消力池內(nèi)水花飛濺，流態(tài)紊亂。在校核流量時，由于消力池內(nèi)T形墩的阻擊作用增強，池內(nèi)水深明顯增加，翻滾的水流回流到躍前斷面，抑制了池內(nèi)飛濺的水花，但池內(nèi)水面翻滾，波動仍較大，消力池的中后部水深偏大，0+680.522斷面處最大涌浪高25.4 m。溢洪洞消力池原設(shè)計方案消力池內(nèi)水流流態(tài)如圖2所示。試驗結(jié)果表明:原設(shè)計方案的消力池深度、邊墻高度等結(jié)構(gòu)尺寸以及梯形墩、T形墩的位置和數(shù)量均不能滿足正常宣泄洪水的要求，因此需對溢洪洞消力池的結(jié)構(gòu)尺寸和輔助消能工的位置、數(shù)量進行優(yōu)化試驗。

圖2 原設(shè)計方案試驗池內(nèi)水流流態(tài)

4 修改方案試驗

4．1 修改方案

對梯形墩和T形墩的位置、數(shù)量和尾坎高度等進行調(diào)整，制定了17種方案進行消力池優(yōu)化方案試驗，將有代表性的8種修改方案列入表1。

4．2 修改方案流態(tài)觀測

a．修改方案1。由于梯形墩的阻水作用產(chǎn)生強迫水躍，破壞了消力池內(nèi)原有水躍的結(jié)構(gòu)形態(tài)，為了能充分觀察原消力池內(nèi)的水躍形態(tài)，將位于消力池前部的梯形墩去掉，T形墩的位置、數(shù)量和尾坎高度仍同原設(shè)計方案。試驗結(jié)果表明:在設(shè)計流量時，水躍明顯后移，躍前斷面位于0+652.236處，躍后斷面位于尾坎后明渠段，消力池內(nèi)不能形成淹沒水躍。尾坎處水深已達到消力池邊墻高度，明渠段末端(0+745.236)流速為11.92 m/s。

b．修改方案2。由于原設(shè)計方案在設(shè)計流量時梯形墩首部流速過大，水流被挑射到空中，將梯形墩后移20 m，T形墩位置、數(shù)量和尾坎高度仍同原設(shè)計方案。在設(shè)計流量時，發(fā)現(xiàn)消力池內(nèi)仍不能形成淹沒水躍，梯形墩前水流受到阻擋被挑射到空中，流態(tài)紊亂。明渠段末端流速為11.83 m/s，池內(nèi)總體流態(tài)與原設(shè)計方案相似。

表1 消力池修改方案

c．修改方案3。由方案1、2可知，原設(shè)計方案的消力池深度明顯不夠，不能在池中形成淹沒水躍，需加大消力池深度。查閱梯形墩輔助消能工的相關(guān)文獻資料得知梯形墩前流速不宜大于15 m/s，將梯形墩后移27 m，尾坎加高2 m。在設(shè)計流量時，躍前斷面位于圓弧段末端(0+632.236)，消力池前部水深偏低，中部及尾坎處涌浪較高，水深偏大，偶爾水花濺出池外，水面波動較大，翻滾劇烈，明渠段末端流速為10.36 m/s。

d．修改方案4。考慮到梯形墩位置對消力池流態(tài)的影響，將梯形墩后移17 m，尾坎加高2 m。在設(shè)計流量時，消力池的中后部水深較高，水面相對平穩(wěn)，水花濺出池外相對較少，明渠段末端流速為10.26 m/s。在校核流量時，消力池的中后部水深較高，水面涌浪較高，水花偶爾濺出池外，明渠段末端流速為10.85 m/s。

e．修改方案5。為了研究梯形墩的間距對消力池消能效果及流態(tài)的影響，將梯形墩后移27m，墩間距加大10m，尾坎加高2 m。在設(shè)計流量時，消力池內(nèi)前部水深較低，水花飛濺跳躍，中部水深涌浪較高，偶爾水花濺出池外，明渠段末端流速為10.75 m/s。在校核流量時，由于流量增加，水躍的躍前斷面明顯后移，位于圓弧段末端(0+632.236)處，消力池的前部水流翻滾更加劇烈，中后部水深偏大，中部最大水深基本與邊墻持平，明渠段末端流速為10.93m/s。

f．修改方案6。改變梯形墩的位置、間距和尾坎高度后消力池內(nèi)水流流態(tài)有所改善，將梯形墩后移17 m，并改變梯形墩和T形墩的數(shù)量，尾坎加高2 m，觀察池內(nèi)水流流態(tài)的變化。在設(shè)計流量時，躍前斷面位于0+628.522處，消力池前部水面波動較大，水花較大，偶爾水花濺出池外，中部涌浪較高，但水面相對平穩(wěn)，明渠段末端流速為10.62 m/s。在校核流量時，躍前斷面位于0+626.522處，消力池前部水面波動加劇，中部最大水深基本與邊墻持平，明渠段末端流速為10.92 m/s。

g．修改方案7。由試驗現(xiàn)象觀察得知位于消力池尾坎處的T形墩消能效果不明顯，在其前部不能形成強迫水躍，將梯形墩后移17 m，去掉T形墩，尾坎加高2 m，池長縮短7 m。在設(shè)計流量時，消力池前部水深偏低，水花較大，偶爾水花濺出池外，中后部及尾坎處涌浪較高，水深偏高，但水面相對平穩(wěn)，明渠段末端流速為11.03 m/s。

h．修改方案8。為了減小消力池內(nèi)最大水深，降低尾坎處涌浪高度，將梯形墩后移12 m，去掉T形墩，池深加深2 m，縮短池長13 m，尾坎通過1∶8變坡后與消力池平坡明渠相接。在設(shè)計流量時，消力池內(nèi)水面波動較大，前部水深偏低，但翻滾、波動較大，偶爾濺起水花，中部水深由于受到梯形墩的阻水作用，水深明顯加大，消力池內(nèi)最大水面壅高達23.73 m。溢洪洞出口消力池末端沖刷坑最大深度達12.58m，沖坑的最低點距消力池末端水平距離為25.46 m。校核流量下，隨著流量的增大，躍前斷面后移，高速水流直接擊打到梯形墩上，水流受到阻擋被挑射到空中，造成水花濺出池外，不能形成淹沒水躍，消力池內(nèi)流態(tài)紊亂。

5 懸柵優(yōu)化方案試驗

5．1 懸柵優(yōu)化方案1

通過修改消力池的結(jié)構(gòu)尺寸及T形墩和梯形墩的位置、數(shù)量和尾坎高度，消力池內(nèi)流態(tài)仍不是很理想，經(jīng)過對比修改方案的試驗結(jié)果，初擬在修改方案8的基礎(chǔ)上，加設(shè)13根懸柵條，柵條間距5 m，柵條高度距池底9m，懸柵優(yōu)化方案1的布置見圖3。

圖3 懸柵優(yōu)化方案1布置示意圖 (單位:m)

在設(shè)計流量時，與無懸柵消力池相比，懸柵消力池池內(nèi)水深明顯下降，其中后部水面平穩(wěn)，明顯低于設(shè)計邊墻高度，消力池內(nèi)最大水深22 m，但水躍躍前斷面的表面漩滾區(qū)水深較大，偶爾水花濺出池外，設(shè)計流量時懸柵優(yōu)化方案1池內(nèi)水流流態(tài)見圖4。

圖4 設(shè)計流量時懸柵優(yōu)化方案1池內(nèi)水流流態(tài)

5．2 懸柵優(yōu)化方案2

為了解決躍前斷面水花飛濺的問題，在圓弧段末端(0+632.236)前部加設(shè)3根懸柵條，后部加設(shè)13根柵條，柵條間距5 m，前部3根懸柵條距池底分別為6.43m、7.97m和8.8m，后部13根柵條距池底9 m，懸柵優(yōu)化方案2的布置見圖5。

圖5 懸柵優(yōu)化方案2布置示意圖 (單位:m)

試驗結(jié)果表明:在設(shè)計流量時，消力池內(nèi)水面平穩(wěn)，最大水深發(fā)生在0+698.496處，其值為21.13 m，較懸柵優(yōu)化方案1的22 m有所下降。躍前斷面的水面翻滾減弱，水面相對平穩(wěn)，消力池0+738.194處的斷面平均流速為9.58 m/s，懸柵消力池消能率為76.77%。在校核流量時，懸柵的置入破壞了水躍的結(jié)構(gòu)，增強了池內(nèi)水流強烈的混摻、碰撞，另外懸柵對梯形墩挑起的水流有一定的削減抑制作用，導(dǎo)致水流在池內(nèi)的能量得到削減，水深較設(shè)計流量時有所增大，最大水深發(fā)生在0+698.496處，其值為22.48 m，消力池內(nèi)不僅能形成淹沒水躍，而且水流流態(tài)較其他方案明顯改善，消力池末端斷面0+738.194處的平均流速為10.59 m/s，懸柵消力池消能率為77.55%。不同流量時懸柵優(yōu)化方案2池內(nèi)水流流態(tài)見圖6。

5．3 懸柵高度的合理性驗證

圖6 不同流量時懸柵優(yōu)化方案2池內(nèi)水流流態(tài)

為了避免在不同流量時躍前斷面水深剛好與懸柵同高或是稍高于懸柵，水流直接擊打到懸柵上，造成水花飛濺，分別以 200 m3/s、400 m3/s、600 m3/s、800 m3/s、1000 m3/s等不同流量對懸柵消力池方案2的懸柵安裝高度進行合理性驗證。試驗結(jié)果表明:在各級流量時懸柵消力池內(nèi)都可以形成淹沒水躍，懸柵都處于水面以下，沒有發(fā)生水流直接拍打懸柵造成水花飛濺的現(xiàn)象。隨著流量的增加，池內(nèi)水深也在不斷增大，懸柵的消能及穩(wěn)定水流的作用逐漸明顯。懸柵的設(shè)置破壞了水躍的結(jié)構(gòu)，增強了池內(nèi)水流混摻、碰撞，解決了梯形墩消力池內(nèi)水面波動較大、水流濺出池外的問題，可見懸柵對增強池內(nèi)能量耗散、穩(wěn)定水面效果顯著。

6 結(jié)論

a．新疆迪那河五一水庫溢洪洞消力池原設(shè)計方案的消力池深度、邊墻高度等結(jié)構(gòu)尺寸以及梯形墩、T形墩的位置、數(shù)量和尾坎高度等條件不能滿足宣泄洪水的要求，特別是在校核流量時，入池的高速水流直接被底部梯形墩挑射到空中，消力池內(nèi)流態(tài)紊亂，不能形成淹沒水躍。

b．將懸柵和梯形墩兩種輔助消能工聯(lián)合運用組成綜合式消力池，使消力池內(nèi)水面平穩(wěn)，波動較小，水流流態(tài)得到明顯改善，解決了水流溢出池外、不能形成淹沒水躍的問題，同時避免了因增大消力池深度、長度、邊墻高度而導(dǎo)致工程投資增加的問題。

c．通過對懸柵優(yōu)化方案的比選和懸柵高度的合理性驗證，確定了溢洪洞消力池懸柵消能工的最佳方案，在溢洪洞消力池內(nèi)懸柵和梯形墩輔助消能工聯(lián)合運用，使消力池池長由原設(shè)計方案的83 m縮短至70 m。

［1］韓守都，劉韓生，吳寶琴． 布侖口水電站消力池尾坎位 置模型試驗［J］． 水利水電科技進展，2012，32( 1) : 62- 64． ( HAN Shoudu，LIU Hansheng，WU Baoqin． Model test on position of end sill of stilling basin of Bulungkol Hydropower Station ［J］． Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32( 1) : 62-64． ( in Chinese) )

［2］萬繼偉，牛爭鳴，李魯，等．小挑角跌坎加淺水墊消力池水力特性試驗［J］．河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，40(3):300-306．(WAN Jiwei，NIU Zhengming，LI Lu，et al．Experimental study of hydraulic characteristics of small-trajectory angle drop sill combined with stilling basin with shallow-water cushion［J］．Journal of Hohai University:Natural Sciences，2012，40(3):300-306．(in Chinese))

［3］王勝，李連俠，孫炯，等．多級連續(xù)消力池水躍的水力特性模型試驗［J］．水利水電科技進展，2012，32(4):23-28．(WANG Sheng，LI Lianxia，SUN Jiong，et al．An experimental study on characteristics of hydraulic jumps in multiple continuous stilling basins［J］．Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(4):23-28．(in Chinese))

［4］夏繼紅，嚴忠民．面向?qū)ο蠹夹g(shù)在消力池優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，31(5):526-529．(XIA Jihong，YAN Zhongmin．Application of object-oriented technique to stilling basin optimal design expert system［J］．Journal of Hohai University:Natural Sciences，2003，31(5):526-529．(in Chinese))

［5］孫永娟，孫雙科．高水頭大單寬流量底流消能技術(shù)研究成果綜述［J］．水力發(fā)電，2005，31(8):70-72．(SUN Yongjuan，SUN Shuangke．Summary on research results of underflow energy dissipation technology with high head and large unit-width discharge ［J］．Hydroelectric Engineering，2005，31(8):70-72．(in Chinese))

［6］陸楊，劉煥芳，金瑾，等．T形墩消力池消能率的計算及優(yōu)化設(shè)計試驗［J］．水利水電科技進展，2012，32(6):42-45．(LU Yang，LIU Huanfang，JIN Jin，et al．Study on calculation of energy dissipation ratio and optimal design test of stilling basin with T-shape baffle［J］．Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(6):42-45．(in Chinese))

［7］尹志剛，左戰(zhàn)軍，劉春友，等．若干拱網(wǎng)消能工與普通消力池工程實例的經(jīng)濟分析［J］．水利經(jīng)濟，2008，26(2):30-32．(YIN Zhigang，ZUO Zhanjun，LIU Chunyou，et al．Economic analysis of several arch net-floor stilling ponds and ordinary stilling basins［J］．Journalof Economics of Water Resources，2008，26(2):30-32．(in Chinese))

［8］何飛，涂興懷．輔助消能工在小型水電工程中的應(yīng)用［J］．甘肅水利水電技術(shù)，2009，45(5):22-23．(HE Fei，TU Xinghuai．The application of auxiliary energy dissipater in small hydropower engineering ［J］．Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology，2009，45(5):22-23．(in Chinese))

［9］劉沛清，冬俊瑞．消力池及輔助消能工設(shè)計的探討［J］．水利學(xué)報，1996(6):48-56．(LIU Peiqing，DONG Junrui．Study on stilling pool and auxiliary energy dissipater design［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1996(6):48-56．(in Chinese))

［10］邱秀云，侯杰，王錕．無壓隧洞洞內(nèi)消能試驗研究［J］．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，27(3):62-65．(QIU Xiuyun，HOU Jie，WANG Kun．The experimental research of energy dissipation in free-flow tunnel［J］．Journal of Xinjiang Agricultural University，2004，27(3):62-65．(in Chinese))