ATS水利樞紐1#深孔放空排沙泄洪洞消能工優化研究

崔 忠

1 工程概況

ATS水利樞紐是塔里木河主要源流之一的葉爾羌河流域內最大的控制性山區水庫工程，工程任務為在保證向塔里木河干流生態供水目標的前提下，承擔防洪、灌溉、發電等綜合利用。水庫總庫容22.49億m3，正常蓄水位1820 m，最大壩高164.8 m，電站裝機容量755 MW。

樞紐工程由攔河壩、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放空排沙洞、發電引水系統、電站廠房、生態基流引水洞及其廠房、過魚建筑物等主要建筑物組成。擋水建筑物、泄洪洞及發電洞進水口為1級建筑物；發電引水隧洞、電站廠房為2級建筑物；生態基流引水洞及其廠房、過魚建筑物為3級建筑物，臨時建筑物為4級。

1#深孔放空排沙泄洪洞布置在右岸，進口布置在兩條發電洞中間，根據地形條件和樞紐各建筑物布置，洞線在平面需要布置彎道，故設計為有壓洞［1］。深孔放空排沙洞由引渠段、進口有壓洞段、檢修閘井段、有壓洞身段、工作閘井段、出口無壓洞段、消能段、明渠段組成（見圖1）。

圖1 1#深孔放空排沙泄洪洞縱斷面圖

2 正態水工模型

按照重力相似準則［2-6］設計模型，進行正態水工模型試驗。

模型幾何比尺Lr=37.89，各物理量的比尺如下：

混凝土糙率0.012～0.014，要求模型糙率為nm=0.0065～0.0076，有機玻璃糙率為0.007，采用有機玻璃做模型材料制作泄水建筑物滿足要求。

模型范圍：保證進口進流條件相似，出口以消力池出流水力條件相似為標準，取距水墊塘出口100 m左右。

模型制作：模型由供水系統供水，上游設平水段和穩水柵，保證進口水流平穩，模型采用下游量水。建筑物均采用有機玻璃加工制作。

3 模型試驗結果分析

3.1 原設計方案試驗結果

1#深孔放空排沙泄洪洞原設計方案（見圖2）的泄流能力分析，試驗值比設計值小0.89%[7]，二者基本一致，1#深孔泄流能力滿足要求。

圖2 1#深孔放空排沙泄洪洞消能工布置圖

上游水位1820.00 m1#深孔放空排沙泄洪洞出口水流比較平穩，弧形工作門突擴未形成嚴重的沖擊水翅。跌坎處形成穩定的底空腔，其長度約7.5 m，但有回水，最大淹沒深度約0.6 m。無壓段的流態平穩，與渥奇段結合部位的水流擴散未引起不良流態。水躍躍首發距消力池首端上游約40 m池內水躍旋滾劇烈，旋滾尺度與消力池尺度相當。水面比較平穩，消能效果較好。池內連接兩側邊墻的柵條處在強烈的水流旋滾區，對柵條的穩定性造成一定的威脅，需要注意。盡管水面平穩，也會出現有撞擊上部聯系梁的情況，但不會對聯系梁造成大的威脅。出池水流擴散導致折沖現象較嚴重。

3.2 取消消力墩與消渦柵

消力池梯形消力墩去掉后，池內流態發生顯著變化，水躍旋滾尺度增大。池底沒有消力墩的阻擋，幾乎整個消力池范圍都是水躍大尺度旋滾區。水面波動增大，水面大尺度波動。最大涌浪(波峰、波谷之差)約8 m。設置消力墩時的主旋滾區約占消力池的2/3。設置消力墩時涌浪約3 m。故消力墩應保留。但入池流速量級為12～13 m/s，消力墩本身的安全性應給以重視。

從消力池內流態看出，柵條(消渦柵)的作用明顯。不設置消渦柵時，水面波動較大。水位1820.00 m情況下，水面撞擊消力池上部聯系梁。設置消渦柵時，水面波動較小，消力池上部聯系梁基本不與水面接觸或很少接觸。故消渦柵應保留。但其本身的穩定性應給以重視。

試驗結果表明，梯形消力墩和消渦柵的消能作用均非常明顯，特別是對穩定池內流態，有很好的效果。

3.3 消力池變底板高程及跌坎組合試驗

由于下層消渦柵在水體中可能存在比較嚴重的空化空蝕問題，及消能墩在較大的臨底流速下自身的穩定和安全，故需考慮取消下層消渦柵及消能墩。取消消渦柵和消能墩后，消力池內流態及水力學指標（臨底流速及脈動壓力等）會增大，為優化消力池內流態并降低消力池內的水力學指標，探究合理的消力池體型，改變消力池的底板高程并加跌坎進行組合試驗。

為探究消力池的最佳池深，在取消消力池下層聯系梁和消能墩的情況下，將消力池底板高程不變（原底板高程1649.00 m）、底板降2 m（底板高程 1647.00 m）、底板降 4 m（底板高程1645.00 m）、底板降6 m（底板高程1643.00 m）與加不同高度的跌坎構成的不同體型的消力池進行試驗研究。共進行了10組試驗。消力池不同底板高程與跌坎組合見表1。

表1 消力池不同底板高程與跌坎組合表

不同消力池體型試驗結果對比分析詳見表2，由實驗結果對比可以看出，消力池最大臨底流速和最大脈動壓力隨著消力池底板高程降低而減小，且減小幅度越來越小，消力池底板高程越低消力池內流態越平穩，水面波動越小。消力池底板高程不變，跌坎高度增加消力池內最大臨底流速減小，最大脈動壓力增大，流態紊亂。無論是加跌坎還是降低底板高程，消力池最大臨底流速較體型1均有所減小。降低消力池的底板高程對減小消力池的最大脈動壓力都是有效的。消力池的底板高程不變加設跌坎消力池的最大脈動壓力反而增大。

表2 不同消力池體型試驗結果對比分析表

從流態、脈動壓力、臨底流速結果來看，原設計底板高程時，消力池內的脈動壓力和臨底流速均較大，消力池底板在原設計高程的基礎上降低2 m、降低4 m、降低6 m臨底流速和脈動壓力都有加大改觀，隨著池底高程的降低池內水流流態平穩，臨底流速和脈動壓力減小。消力池底板在原設計高程的基礎上降低2 m加2 m跌坎或不加跌坎，降低4 m加4 m、2 m跌坎或不加跌坎及降低6 m加4 m、2 m跌坎或不加跌坎，臨底流速和脈動壓力較消力池體型1均有較大幅度的降低。

3.4 消力池出口及尾渠段體型優化后試驗結果

1#深孔放空排沙泄洪洞消力池出口及尾渠段的體型進行了優化（見圖3），消力池尾部兩側邊墻各開兩孔、向兩側溢流，尾渠高程由1661.822 m降到1661.00 m、底寬由18 m增加到58 m，邊坡坡比不變。

圖3 1#深孔放空排沙泄洪洞消能工優化后布置圖

消力池體型優化后消力池出口形成水面跌落，尾渠臨底流速降低，僅在高水位（1820.0 m）時、產生較小范圍的折沖水流，其他工況尾渠流態良好，水面比較平穩。

1#深孔放空排沙泄洪洞運行時，從水位1724.85 m～1820 m，隨著水位的增大，消力池出口下游河床沖坑深度有增大的趨勢，沖坑最深點向下游移動。最大沖刷深度6.52 m，沖坑最低點遠離消力池沖坑護坦末端。

4 結論

通過水工模型試驗可知，1#深孔放空排沙泄洪洞原設計方案泄流能力設計值與試驗值基本一致。消力池原設計方案設置了消力墩和消渦柵，模型試驗通過消力池是否設置消力墩和消渦柵進行實驗對比，可知消力墩與消渦柵對消力池的效能效果影響很大，但消力池內水流比較紊亂，消力墩和消渦柵條本身存在安全風險。水工模型試驗研究取消消力墩和消渦柵后，改變消力池的底板高程并加跌坎進行組合試驗，探究合理的消力池體型。不同底板高程與加不同高度的跌坎構成的不同體型的消力池進行多組試驗。隨著底板高程降低效能率增加；相同底板高程增加跌坎，脈動壓力先增大后減小。

模型試驗對消力池出口及尾渠段的體型進行了優化，優化后消力池出口及尾水渠的水面銜接平穩，下游河床沖刷坑深度向下游移動，沖坑最低點遠離消力池沖坑護坦末端。

[1]SL 279-2016，水工隧洞設計規范[S].2016.

[2]麥棟玲，黃智敏，陸漢柱，付波.某攔河閘底流消能工消能防沖試驗研究[J].廣東水利水電，2015(4).

[3]黃智敏，陳卓英，朱紅華，等.低水頭攔河閘下游消力池布置探討[J].廣東水利水電，2012(11).

[4]付波，黃智敏，陸漢柱，等.雙捷攔河閘重建工程消能防沖優化試驗研究[J].廣東水利水電，2014(6).

[5]孫雙科，柳海濤，夏慶福，等.跌坎型底流消力池的水力特性與優化研究[J].水利學報，2005，36(10).

[6]陳朝，毛舒婭，黃海艷，等.跌坎型底流消能工壓力分布特性的試驗研究[J].南水北調與水利科技，2011，9(1).

[7]ATS水利樞紐泄水建筑物水工模型試驗研究成果[R].天津：天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，2011.