某水庫溢洪道消力池消能墩墩型和位置優化研究

桂吉順

(九江市科翔水利工程監理有限公司，江西 九江 332000)

1 工程背景

某小型水庫建成于20世紀70年代，是一座以防洪和灌溉為主，兼有其他諸多功能的小(1)型水利工程。水庫的設計庫容為532萬m3，興利庫容為235萬m3。工程建成以來，在保證下游防洪安全、提高下游城區供水安全方面發揮出重要作用。但是，經過多年的運行，工程本身的病險問題也日漸突出，亟待進行除險加固。在除險加固工程的初始設計方案中，溢洪道的總體布置基本保持不變，主要以鋼筋混凝土重新襯砌混凝土底板，拆除重建并加高邊墻。受到工程現場地形和地質環境等因素的影響，消力池的池長與加固前的設計長度相同，由于防洪設計標準的提高，傳統的挖深消力池已經不能滿足效能需求，因此需要采用在池內設置消能墩的方式解決[1]。基于此，此次研究通過室內模型試驗的方式，探討消能墩的不同墩型和具體的位置對消力池消能效果的實際影響，以期為工程設計提供建議。

2 試驗設計與方法

2.1 模型設計與制作

根據試驗場地和設備因素，按照重力相似性準則進行試驗模型設計，確定模型的長度比尺為1∶50[2]。根據實驗任務和制作要求，確定模型的模擬范圍為溢洪道庫區150m和溢洪道下游至出水渠海漫段。結合模型的幾何比尺，換算確定模型的其他水流物理量比尺如下：模型的流速比尺為7.071；模型的流量比尺為17677.67；模型的糙率比尺為1.919。

為了便于觀測試驗過程中水流的實際流態，試驗模型的側墻均采用厚度為8mm的有機玻璃制作，制作的誤差控制在0.2mm以內。為了保證模型的穩固性，溢洪道各段的底板均采用厚度為10mm的PVC塑料板制作。溢洪道的庫區部位采用水泥磚和水泥砂漿砌筑，外表面利用C30水泥砂漿抹面，最外層涂刷防水層，防止滲水。消力池下游的退水渠利用素混凝土制作，并在其表面粘貼厚度為5mm的有機玻璃板，以滿足糙率的相似性[3]。消能墩模型利用PVC板制作，利用四氫呋喃調和PVC粉末黏合。

2.2 試驗儀器和方法

試驗中所需要的儀器有流速儀、測針、量水堰、壓力傳感器、畢托管、鋼板尺、測壓管。利用上述儀器可以準確測定試驗過程中的水深、流速、壓力等水流特征參數和數據。

試驗中在模型回水渠的末端設置直角三角形量水堰，測量過水流量[4]。水躍高度和水深的測量利用鋼板尺，由于水躍的存在，水流紊動十分劇烈，造成水面的浮動量相對較大，因此在測量過程中需要在測點部位停留30s，取水面的最高值和最低值確定水面的浮動范圍，并取水面在鋼板尺停留2/3時間部位的數值作為該部位的水深試驗數據[5]。

在流速測量過程中，直接將畢托管、測針插入水中的測點，使測針頂端的小孔正對水流方向，連接測針上部兩根測壓管的水頭差值即為所測數據，然后可以計算出測點部位的流速[6]。在測量過程中，每個測點測定的時間固定為30s，測量每個測點時均需要連續記錄三次數據，以其均值作為最終測量結果，以減小試驗誤差。

2.3 計算方案

在消力池中增添消能墩，可以增強水流的紊動作用，從而產生小尺度漩渦以達到消能作用，降低消力池下游水流的流速[7]。顯然，影響消能墩消能效果的主要因素是其體型和位置。結合該領域的相關工程經驗和背景工程的實際情況，設計梯形墩、T形墩和頂角60°墩三種常見的墩型，以及消能墩位于消力池的池首、池中和池尾三種不同位置進行比選，以獲取消能墩的最佳設計方案[8]。為了減少試驗的復雜程度，在墩型優化試驗過程中，將消能墩固定在消力池的池首，對上文提出的三種不同墩型進行試驗，根據試驗結果，確定最佳的墩型。然后再固定最佳墩型，進行消能墩最佳位置試驗。試驗中結合背景工程的實際情況，確定60、120、180、240、300m3/s 5種不同的下泄流量，以模擬溢洪道的不同使用工況。

3 試驗結果與分析

3.1 墩型試驗結果與分析

3.1.1流速

對不同墩型設計方案進行模型試驗，同時測得不同下泄流量條件下躍后斷面、海漫斷面以及水舌頂點3個關鍵斷面的流速最大值，結果見表1。由表中的數據可以看出，在海漫斷面和水舌頂點，T形墩的流速最大值相對較小，具有流速控制方面的明顯優勢。在小流量情況下，梯形墩對躍后斷面流速的控制作用較好，而在大流量工況下，T形墩最具有優勢。對于背景工程而言，由于采用的是低水頭溢洪道設計，其消能結構的主要作用是針對大流量泄洪工況設計的。由此可見，T形墩為最佳墩型。

3.1.2水躍高度

水躍高度也是評價消能結構消能效果的重要指標，利用試驗中獲得的數據，繪制出如圖1所示的不同墩型的水躍高度隨下泄流量的變化曲線。由圖1可以看出，當溢洪道的下泄流量較小時，三種不同墩型的水躍高度比較接近，而隨著下泄流量的不斷增大，三種墩型的水躍高度呈現出比較明顯的差距。其中水躍高度最大的是頂角60°墩，水躍高度最小的為T形墩。由此可見，T形墩有助于控制水躍高度，可以實現較好的消能效果。

表1 不同墩型關鍵斷面流速最大值

圖1 不同墩型的水躍高度變化曲線

3.1.3綜合能量損失系數

利用試驗中獲得的數據，計算獲取不同墩型、不同下泄流量條件下的綜合能量損失系數，結果如圖2所示。由圖2可以看出，在不同的下泄流量條件下，T形墩的綜合能量損失系數最大，這說明采用T形墩可以獲得更好的消能效果，為最佳墩型。

綜合流速、水躍高度和綜合能量損失系數的試驗結果，T形墩的消能效果最為顯著，為最佳墩型，推薦在工程設計中采用。

圖2 不同墩型的綜合能量損失系數變化曲線

3.2 不同消能墩位置試驗結果與分析

3.2.1流速

鑒于T形墩為最佳墩型，試驗中保持該墩型不變，對池首、池中和池尾三種不同的消能墩位置方案下，躍后斷面、海漫斷面以及水舌頂點3個關鍵斷面的流速進行測量，結果見表2。由表2中的試驗數據可以看出，當消能墩位于池尾時，各個關鍵斷面的流速最大值最小。由此可見，當T形消能墩位于池尾時，消能結構的整體消能效果最好。

表2 不同消能墩位置流速最大值

3.2.2水躍高度

對不同T形墩位置方案下的水躍高度進行測量，根據測量獲得的數據，繪制出如圖3所示的水躍高度隨下泄流量的變化曲線。由圖3可以看出，不同消能墩位置方案的水躍高度比較接近，雖然池中方案的水躍高度相對偏大，但是沒有較為明顯的差距。由此可見，消能墩位置對水躍高度的影響不大，沒有明顯的優勢方案。

圖3 不同消能墩位置水躍高度

3.3 綜合能量損失系數

利用試驗中獲取的相關數據，計算出不同T形消能墩位置下的綜合能量損失系數，結果如圖4所示。由圖可以看出，當消能墩位于池尾時，綜合能量損失系數最大，可以獲得最佳消能效果。

綜合流速、水躍高度和綜合能量損失系數的試驗結果，將T形墩墩型設置在池尾，可以獲得更好的消能效果，為最佳消能墩位置設計方案。

圖4 不同消能墩位置綜合能量損失系數變化曲線

4 結論

泄水建筑物的優化設計對保證水利工程的安全運行具有十分重要意義和作用。此次研究以具體工程為背景，通過室內試驗的方式探討和分析了消能墩墩型和位置對消能效果的影響。結果顯示，將T形消能墩設置在池尾時可以獲得最佳消能效果。研究成果不僅可以為背景工程的設計施工提供支持，還可以為相關類似工程設計研究提供有益的借鑒。當然，目前關于消能墩的研究還不是很完善，且水工模型與實際工程也存在明顯的差異。因此，此次研究的結果仍需要工程實踐進行進一步的驗證。