T形墩消力池消能率的計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)

陸 楊，劉煥芳，金 瑾，劉文華，李 強(qiáng)

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)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(fā)電等綜合利用功能。工程由攔河壩、右岸溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)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(jī)容量為100 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)為50年一遇(設(shè)計(jì)保證率P=2%)，相應(yīng)特征流量為532 m3/s;工程按500年一遇洪水(P=0.2%)進(jìn)行設(shè)計(jì)，相應(yīng)特征流量為1882m3/s;按5000年一遇洪水(P=0.02%)校核，相應(yīng)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(zhǎng)80.0 m，寬度從18 m擴(kuò)散至32 m，擴(kuò)散角為4.3°，實(shí)際工程中未采用T形消力墩。

2 試驗(yàn)概況

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)及工程性質(zhì)，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地及精度，采用長(zhǎng)度比尺λL=50的正態(tài)模型，模型長(zhǎng)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(jìn)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(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)及存在的問題

對(duì)原設(shè)計(jì)方案重點(diǎn)進(jìn)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(yàn)。各典型流量下溢洪道末端入池?cái)嗝嫠?、流速分布見?。試驗(yàn)結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)方案消力池在Q＜300 m3/s條件下均發(fā)生淹沒式水躍，獲得了較好的消能效果;Q=300 m3/s時(shí)發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，但此時(shí)消能效果尚好;Q=400～532 m3/s時(shí)，消力池內(nèi)發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍銜接，此時(shí)消力池水面脈動(dòng)較大，躍首前后移動(dòng)，池內(nèi)流態(tài)極不穩(wěn)定;Q＞800 m3/s時(shí)消力池末端及下游退水渠水面波動(dòng)劇烈，主流不對(duì)稱，消能效果差，消力池遭到了嚴(yán)重的破壞。原設(shè)計(jì)方案不能滿足工程要求，為此需要對(duì)原消力池設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。

表1 典型流量下溢洪道末端入池?cái)嗝嫣卣鲄?shù)

2.3 修改設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)

根據(jù)國內(nèi)外試驗(yàn)研究與工程實(shí)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(zhǎng)度，同時(shí)兼顧設(shè)計(jì)洪水和校核洪水下底流消能的基本要求，從而達(dá)到消能的目的，使水流與下游退水渠有較好的銜接狀態(tài)。為此，在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上加設(shè)T形墩。

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加設(shè)T形墩后，池長(zhǎng)為50 m即可達(dá)到消能效果，故在T形墩優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)選取50 m，52.5 m，55 m 3種池長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)在較大流量時(shí)，水流受到T形墩的直接阻擋會(huì)出現(xiàn)水位飆升的現(xiàn)象。流量增至一定值時(shí)，T形墩前墩位置處水流躍動(dòng)很高，甚至可以濺向池外，水躍極不穩(wěn)定。為了防止上述現(xiàn)象，模型在T形墩前墩和尾坎兩個(gè)位置處設(shè)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(jù)原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)流量、池長(zhǎng)、T形墩的形式及支腿長(zhǎng)度、防挑蓋板等5種因素對(duì)消力池消能效果的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在消力池中加設(shè)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(shí)完全達(dá)到了工程設(shè)計(jì)要求，而且在超過消能防沖標(biāo)準(zhǔn)下消力池仍能發(fā)生淹沒水躍，效果較好，可以有效縮短池長(zhǎng)約25%～50%。為此，對(duì)以上5種影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)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(jì)算公式推導(dǎo)及驗(yàn)證

3.1 消能率計(jì)算公式的推導(dǎo)

衡量消能工優(yōu)劣的一個(gè)很重要的指標(biāo)是消能率［6］。由于水流在尾坎處會(huì)形成二次水躍，會(huì)消除部分下泄能量［7］，所以在計(jì)算T形墩消力池的消能率時(shí)，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(jù)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(jì)算示意圖

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

根據(jù)連續(xù)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(duì)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(shí)T形墩消力池消能率的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

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

3.2 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

根據(jù)式(10)，池長(zhǎng)為 52.5 m、流量為 300～1000 m3/s、加設(shè)帶防挑蓋板的T形墩(形式①)后的消能率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見圖3。從圖3可以看出，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好，說明式(10)滿足實(shí)際工程T形墩消力池消能率計(jì)算的精度要求。

圖3 T形墩消力池消能率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

4 T形墩消力池池長(zhǎng)的優(yōu)化

T形墩消力池池長(zhǎng)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(gòu)成。圖4為T形墩(形式①)在不同池長(zhǎng)時(shí)的消力池消能率隨流量的變化曲線。由圖4可以看出，當(dāng)池長(zhǎng)為50.0 m時(shí)消能率先隨流量增大而增大，流量達(dá)到400 m3/s時(shí)消能率達(dá)到峰值，而后逐漸減小;當(dāng)池長(zhǎng)為52.5 m時(shí)，消能率隨流量的增大而逐漸增大，直至流量增大至800m3/s時(shí)消能率趨于穩(wěn)定。在其他條件不變且流量小于430 m3/s條件下，池長(zhǎng)為50.0m時(shí)的消能率較高;流量大于430m3/s條件下，池長(zhǎng)為52.5m時(shí)的消力池消能率最高。由以上分析可知，流量不變時(shí)，不同池長(zhǎng)的消能率變化規(guī)律不同;池長(zhǎng)不變時(shí)，不同流量的消能率變化規(guī)律也不同?？紤]到肯斯瓦特水利樞紐工程流量變化范圍，加設(shè)T形墩后消力池的池長(zhǎng)可設(shè)為52.5 m，較原設(shè)計(jì)方案提高了消能率，減少了開挖方量，工程效益相對(duì)較高。

圖4 不同池長(zhǎng)時(shí)消能率隨流量的變化曲線

5 T形墩消力池墩形的優(yōu)化

5.1 T形墩支腿長(zhǎng)度的優(yōu)化

T形墩支腿長(zhǎng)度直接影響T形墩在消力池內(nèi)的相對(duì)位置，進(jìn)而影響 T形墩消力池的消能效果。圖5為池長(zhǎng)為52.5 m，T形墩支腿長(zhǎng)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(dāng)T形墩支腿長(zhǎng)度為10 m和14 m，流量大于500 m3/s時(shí)，消能率隨流量的增加逐漸降低;當(dāng)T形墩支腿長(zhǎng)度為12 m，流量增至800 m3/s時(shí)，消能率出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。另外發(fā)現(xiàn)，流量小于500m3/s時(shí)，T形墩支腿長(zhǎng)度為14 m時(shí)的消能率較高;而流量大于500 m3/s時(shí)，T形墩支腿長(zhǎng)度為12 m時(shí)的消能率明顯高于支腿長(zhǎng)度為10m和14m時(shí)的消能率且更穩(wěn)定。通過對(duì)以上3種T形墩支腿長(zhǎng)度消能效果的比較分析可知，T形墩支腿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)支腿長(zhǎng)度。在大流量變幅內(nèi)，本次試驗(yàn)確定支腿長(zhǎng)度為12m時(shí)的消能率最高，且比較穩(wěn)定。

圖5 不同支腿長(zhǎng)度時(shí)消能率隨流量的變化曲線

5.2 T形墩體形的優(yōu)化

目前，國內(nèi)大多數(shù)工程T形墩體形結(jié)構(gòu)尺寸比例為2∶3∶4∶5∶6(前墩厚 ∶墩高 ∶前墩寬 ∶尾坎高 ∶支腿長(zhǎng))，支腿厚度與前墩厚相同，即為傳統(tǒng)的湖南院體形［9－12］。有關(guān)T形墩的研究也基本是在此墩形基礎(chǔ)上進(jìn)行，只是將其比例進(jìn)行調(diào)整?？纤雇咛卦囼?yàn)?zāi)Ｐ妥畛醴桨敢喟瓷鲜霰壤O(shè)計(jì)，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)消能效果并不是很好。本次模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，改變了傳統(tǒng)的湖南院體形，調(diào)整了結(jié)構(gòu)尺寸比例，并在支腿矩形、前墩矩形的基礎(chǔ)上對(duì)前墩和支腿的形式進(jìn)行改進(jìn)(表3)，并在原方案的基礎(chǔ)上加設(shè)防挑蓋板，以增強(qiáng)消能效果。

圖6為池長(zhǎng)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(shì)基本相同:先隨流量的增大而增大，當(dāng)流量增至800 m3/s左右時(shí)消能率達(dá)到峰值，而后隨流量的增大呈減小的趨勢(shì)。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(shí)，相鄰兩種形式的消能率差值大小趨于穩(wěn)定。

圖6 不同墩形時(shí)消能率隨流量的變化曲線

比較發(fā)現(xiàn):在大流量變幅范圍內(nèi)，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(tǒng)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(shù)不變的前提下，T形墩前墩由矩形變?yōu)榛⌒?即形式①→形式⑤)或T形墩的支腿由矩形變?yōu)樘菪?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?yōu)樘菪魏?，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(dāng)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(jìn)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?yōu)榛⌒魏?，同一股水流撞擊前墩的時(shí)間與空間不同，且弧面對(duì)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(cè)，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。

6 結(jié)語

a.推導(dǎo)得出T形墩消力池消能率計(jì)算公式，誤差在實(shí)際工程允許范圍之內(nèi)，可以用該公式計(jì)算實(shí)際工程T形墩消力池的消能率。

b.在大流量變幅范圍內(nèi)，通過比較加設(shè)防挑蓋板時(shí)不同池長(zhǎng)情況下的T形墩消力池的消能率，確定適合肯斯瓦特水利樞紐工程的消力池池長(zhǎng)為52.5 m。優(yōu)化后的消力池提高了消能率，減少了開挖方量，工程效益相對(duì)較高。

c.試驗(yàn)分析得出T形墩支腿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)支腿長(zhǎng)度。在大流量變幅范圍內(nèi)，支腿長(zhǎng)度為12 m時(shí)的消能率最高，且比較穩(wěn)定。

d.在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上對(duì)T形墩體形進(jìn)行優(yōu)化，通過消能效果分析，認(rèn)為墩形設(shè)計(jì)為支腿梯形、前墩弧形時(shí)的消能效果最好。

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