新集水電站泄洪消能防沖刷優(yōu)化研究

王亞洲，王均星，周 招，李 雙，李輝成

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

對于低水頭、大單寬流量的泄水閘，當(dāng)Fr<2.0時，在閘后形成不完整水躍，水躍長度較短，旋滾不劇烈，水躍消能效果較差。水面線呈現(xiàn)波狀起伏不定且向下游傳播較遠(yuǎn)距離，并且對下游河床造成沖刷。因此，在泄水閘閘后消力池布置輔助消能工可促使強(qiáng)迫水躍的形成，起到縮短消力池長度的作用。一般的消力墩距躍首越近，水流反力越大，消能效果越好，但承受的沖擊力和脈動壓力較大，并且由于消力墩過于靠近水躍躍首，容易使水激起，反而不利[2]。Hartung認(rèn)為水流動能向紊動能轉(zhuǎn)變比例與躍前佛氏數(shù)成反比。低佛氏數(shù)水流僅有一小部分轉(zhuǎn)換為熱能，大部分能量表現(xiàn)為躍后大尺度紊動[3]。艾克明等人通過對三江口水利工程的T型墩消力池的研究，證明了T型墩消能形式的合理性[4]。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，T型墩布置在消力池下部時，一次水躍消能不充分時，尾坎位于一次水躍后部，形成二次水躍，起到補(bǔ)充消能效果，可以改善水躍形態(tài)，對改善出池水流流態(tài)以及對下游河床防沖刷有重要意義。

1 工程概況和模型設(shè)計(jì)

新集水電站位于漢江中游，是一座以發(fā)電、航運(yùn)為主工程。樞紐主要建筑物包括泄洪閘壩、主廠房和右岸船閘。具體為從左到右依次為左岸階地土石壩壩段、泄水閘壩段、主廠房段、右岸船閘段、右岸主河床土石壩段(含非常溢洪道)。泄水閘經(jīng)比較推薦采用平底閘型，建于沙礫石層上，底板厚2.5 m，上游設(shè)底寬為3 m，深為1.5 m的齒墻。泄水閘共設(shè)24孔，每孔凈寬13.5 m，溢流前緣總寬324 m，閘底板高程為63.20 m，選用兩孔一聯(lián)的結(jié)構(gòu)型式，墩中分縫，中閘墩厚3 m，邊墩厚2.5 m。泄水閘下游消能進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，共分兩區(qū)，12孔為一區(qū)。一區(qū)消力池池長50 m，深1.3 m。二區(qū)消力池池長30 m，深0.5 m。泄水閘平面布置圖如圖1。

圖1 樞紐平面布置圖Fig.1 Layout of drainage sluice

本次試驗(yàn)選取3組工況進(jìn)行分析，即常遇流量5 643 m3/s，5年一遇流量11 200 m3/s，設(shè)計(jì)流量17 400 m3/s。各工況均保持在上游正常蓄水位76.23 m條件下，開啟方式見工況表1，其中閘孔序號排序方法為：從1區(qū)到2區(qū)，依次為1至24號孔，具體見圖2。

表1 試驗(yàn)工況表Tab.1 Test condition table

該模型根據(jù)水流運(yùn)動相似原理設(shè)計(jì)。采用正態(tài)模型加局部動床模型，整體水工模型采用長度比尺為λ=85，其他比尺計(jì)算如表2所示。

表2 模型試驗(yàn)比尺Tab.2 Model test scale

原設(shè)計(jì)方案是將24孔泄水閘共分為兩區(qū)，Ⅰ區(qū)泄水閘從右岸到左岸1～12孔，Ⅱ區(qū)泄水閘從右岸到左岸13～24孔。I區(qū)消力池長50 m，深1.3 m。Ⅱ區(qū)消力池池長30 m，深0.5 m。溢流閘壩下游分設(shè)消力池段、海漫段和防沖槽，并設(shè)置局部動床。海漫水平段為40.5 m，斜坡段坡度為1∶10，長35 m。防沖槽拋填塊石至海漫末端高程58.3 m，要求抗沖流速大于5 m/s，水平段長23.8 m，后銜接1∶5反坡與動床銜接。局部動床范圍壩下0+208.6m～0+353.6 m，模型預(yù)留4 m×4 m(長×寬)大小的沖坑，沖坑底部高程為40.8 m，試驗(yàn)主要模擬河床砂礫石，允許抗沖流速為2.0 m/s。根據(jù)依茲巴斯( S. V. Isbash)公式計(jì)算得河床及防沖槽沖坑散粒料粒徑分別為1.0～2.0 mm和6～12 mm。

本次試驗(yàn)在水工整體模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究不同工況下泄水閘下游消力池、海漫、防沖槽的消能防沖，消力池與海漫流場分布及下游河床沖刷情況。在泄水閘下游(包括下游河床)共布置8個斷面[5](1～8號)。如圖2所示。

圖2 模型測點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of model measuring points

2 原設(shè)計(jì)方案存在的問題

2.1 消力池、海漫及動床流速分布

控制不同工況上游水位均為76.23 m，通過調(diào)度閘門改變試驗(yàn)工況。主流主要分布在I區(qū)消力池，因此各工況下只選取了主流分布斷面上的特定測點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，流速沿程分布具體見圖5。在常遇工況，五年一遇工況及設(shè)計(jì)流量工況下，由于入池流速較大分別達(dá)到13.03、13.4、11.17 m/s(Ⅰ區(qū))。出池流速分別達(dá)到8.37、8.22、6.60 m/s(Ⅰ區(qū))。消力池段流速下降較快，海漫段及海漫斜坡段流速下降較慢。主流到達(dá)防沖槽時，各工況流速分別下降到5.08、5.70、4.26 m/s(Ⅰ區(qū))。即流速的減小并未集中發(fā)生在消力池段，而是沿程逐漸降低。

圖3 原方案底部流速沿程分布Fig.3 Velocity distribution along the bottom of the original scheme

圖4 原方案水躍示意圖Fig.4 Schematic diagram of the original scheme water jump

2.2 消能率研究

考慮到閘后形成了不完整水躍，海漫收縮斷面處水躍能量的耗散不充分，因此主要計(jì)算一次水躍躍首(斷面1-1)及海漫后斜坡(斷面2-2，樁號0+120 m)處相應(yīng)水力要素，以方便研究消力池內(nèi)水躍的消能效率。如圖4所示，其中以消力池底板(高程60.5 m)為基準(zhǔn)面，計(jì)算各工況躍前斷面能量及水流佛氏數(shù)，根據(jù)整體模型試驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)計(jì)算消能率如表3示。

表3 原計(jì)方案各工況消能率計(jì)算表Tab.3 Calculation table of energy dissipation rate in each working condition of the original scheme

計(jì)算可以得出：消力池的消能效率較低，除常遇流量工況外其余工況消能率均小于30%，通過上述分析，可以得出結(jié)論：

(1)低佛氏數(shù)水躍主流線位于河床底部，各流層之間流速梯度較小，流線皆為平滑曲線，另外觀察發(fā)現(xiàn)氣泡、旋渦量甚少。

(2)當(dāng)Fr<2時，消能率不足32%，剩余能量所造成的水面波動在相當(dāng)長的范圍內(nèi)將沖刷河床。

(3)消能率與躍前佛氏數(shù)成正比關(guān)系，佛氏數(shù)越小，消能率越低。

2.3 防沖槽與河床沖刷研究

本試驗(yàn)重點(diǎn)是研究閘下250 m范圍內(nèi)的河床沖刷情況，主流各斷面流速較大，下泄水流進(jìn)入防沖槽以后底部流速將明顯偏大，證明消能效果不明顯，為防沖槽之后的河床防沖帶來壓力；當(dāng)河床底部流速大于河床抗沖流速時，會造成河床的沖刷，沖刷的劇烈程度一般由沖坑的大小和位置體現(xiàn)出來，由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[6]，大約在沖刷3～4 h后河床會形成較穩(wěn)定的沖坑，這時測量沖坑的各種參數(shù)基本上是反映真實(shí)情況的，按照沖刷試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，測得各工況下穩(wěn)定后的沖坑參數(shù)如表4所示。表中數(shù)據(jù)顯示，各級流量下的沖坑范圍基本在壩下0+218.67至0+248.42內(nèi)，沖坑深度較大，在設(shè)計(jì)工況下，產(chǎn)生沖坑最遠(yuǎn)點(diǎn)，位于壩下壩下壩下0+248.42處，相應(yīng)堆丘高程為64.35 m；在設(shè)計(jì)工況下，下游段也產(chǎn)生了明顯的沖刷，防沖槽沖深達(dá)到12.18 m，下游河床也沖深6.25 m；在設(shè)計(jì)工況下，1區(qū)沖刷較小，2區(qū)沖刷較嚴(yán)重，兩股水流在下游產(chǎn)生兩個沖刷強(qiáng)點(diǎn)，造成嚴(yán)重沖刷。因此，消能工體型還需進(jìn)一步優(yōu)化[7]。

表4 各工況下游河床沖坑參數(shù)表Tab.4 Parameters of downstream riverbed punching under various working conditions

3 優(yōu)化方案(T型墩+尾坎)

3.1 T型墩消能工體型設(shè)計(jì)

王均星[8]、Tiwaria[9]等均提出低佛氏數(shù)下水躍的消能效率較低，通過消力池的下泄水流并沒有耗散多少能量，大部分剩余能量所造成的水面波動在相當(dāng)長的范圍內(nèi)將沖刷河床和岸坡。為了提高消能率，在護(hù)坦上布設(shè)一些輔助消能工，如消力墩等[2]。

本次實(shí)驗(yàn)T型墩體型設(shè)計(jì)應(yīng)先從消能角度選擇其迎水面形式和阻水尺寸，再從防止空蝕破壞來選擇其側(cè)面形式和結(jié)構(gòu)尺寸，參考各實(shí)際工程的T 型墩體型設(shè)計(jì)方案，尺寸形式為前墩厚：前墩高：前墩寬：尾坎高：支腿長為2∶3∶4∶5∶6[10]。海漫斜坡段坡度由原方案的1∶10改為1∶20，海漫斜坡段加長20 m，即詳細(xì)設(shè)計(jì)見圖5，單位均為米(m)。

圖5 T型墩及尾坎設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design of T-shaped piers and tailstock

3.2 T型墩方案流速分布

通過對比修改前后河床斷面的流速分布如圖6，消力池內(nèi)的流速變化幅度較大，一次水躍引起的流速波動效果明顯。隨著流量的增大發(fā)現(xiàn)流速沿程波動減小。河床流速值有明顯降低，常遇流量工況下河床斷面流速最大值5.04 m/s下降為3.86 m/s，降低幅度較大，而五年一遇流量工況由6.82 m/s下降為最大僅5.05 m/s，另外設(shè)計(jì)工況河床流速分布也有明顯改善。

圖6 T型墩方案一區(qū)消力池主流沿程分布Fig.6 The mainstream distribution of the stilling pond in area 1 of the T-shaped pier scheme

對比修改前后海漫位置的流速分布，發(fā)現(xiàn)增加T型墩和尾坎后，海漫上的流速顯著增加，在海漫位置形成2次水躍。其中五年一遇工況海漫二次水躍躍前流速11 m/s，是所有工況海漫躍前最大流速，二次水躍發(fā)生在海漫水平段即混凝土護(hù)坦上面，護(hù)坦能夠承受二次水躍的沖刷作用。主流經(jīng)過海漫水平段二次消能和斜坡段穩(wěn)流作用后，海漫末端的斷面(0+120 m)最大流速降低為4.5 m/s左右，低于防沖槽部位抗沖流速5 m/s。

如圖6所示主流及一區(qū)消力池左、右側(cè)流速分布。由于左邊岸坡位于二區(qū)消力池左側(cè)，二區(qū)消力池泄水閘并沒有泄水，所以二區(qū)消力池左岸邊坡流速較低，不存在沖刷問題；消力池右岸是擋墻，擋墻右側(cè)有電站尾水渠和隔流堤，而主流主要集中在一區(qū)消力池中部，因此重點(diǎn)研究主流對消能建筑物的影響。具體斷面如圖7(斷面1-1位于一次水躍躍首；斷面2-2靠近海漫末端，樁號0+120 m；斷面3-3位于海漫水平段二次水躍躍首)。

圖7 T型墩方案水躍示意圖Fig.7 Schematic diagram of hydraulic jump of T-pier scheme

3.3 T型墩方案消能率研究

為了更能反映出增加T型墩的消力池消能率隨流量大小變化的規(guī)律，因此增加兩個試驗(yàn)工況A=3 571 m3/s，B=8 789 m3/s。設(shè)水流經(jīng)消力池消耗的總能量為ΔE,其中1-1斷面和3-3斷面消耗的能量為ΔE1,3-3斷面至2-2斷面消耗的能量為ΔE2。首先分別對1-1斷面、2-2斷面、3-3斷面建立能量方程：

(1)

(2)

由以上公式計(jì)算，得到消能率計(jì)算對比情況表5。

表5 消能率計(jì)算對比情況表Table.5 Calculation and comparison of energy dissipation rate

通過試驗(yàn)由表5可知消力池消能率隨流量增大而減小，在各工況下，T型墩方案相對原方案消能率有明顯提高，說明T型墩加尾坎消能工對于大單寬流量集中敞泄情況的消能有明顯效果。

3.4 消力池流態(tài)優(yōu)化研究

從表6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，由于一區(qū)消力池的末端位置為L0+78.40，所以以上各工況水躍均能夠發(fā)生在消力池范圍內(nèi)，水躍發(fā)生的位置基本一致，隨著流量的增加，水躍整體有向上游推移的趨勢。在常遇流量工況下，2孔和4孔下游堰流產(chǎn)生的水躍躍長較長，對下游的沖刷破壞作用較大，通過沖坑試驗(yàn)也可以得出此結(jié)論，但躍長仍控制在了消力池的范圍內(nèi)。因此，消力池的池長設(shè)計(jì)是合理的，原方案池深計(jì)算值大于設(shè)計(jì)值，說明實(shí)際的出閘水力要素和理論上有所出入，優(yōu)化后計(jì)算值則符合要求。

表6 各工況下的消力池情況對比計(jì)算表Tab.6 Comparison calculation table of different working conditions

通過比較原方案與優(yōu)化方案，根據(jù)表7發(fā)現(xiàn)修改模型水躍淹沒系數(shù)均大于1，優(yōu)化方案各工況均形成淹沒水躍，說明池深滿足要求；而通過計(jì)算消力池池長比較發(fā)現(xiàn)修改方案池長相比原方案減小30%左右，進(jìn)一步修改可大幅減少開支。另外，水躍淹沒度普遍較大而導(dǎo)致消力池內(nèi)水躍消能無法達(dá)到最佳值，因此在海漫上需產(chǎn)生2次水躍將進(jìn)一步消剎水能，表7將列出2次水躍發(fā)生在海漫上的部分水力參數(shù)：由表7可以看出，除常遇流量和設(shè)計(jì)流量工況，其余工況均為集中開啟閘門的情況，在海漫上形成2次水水躍時，水墊較薄，A工況僅3.4 m，而流速均較大，都達(dá)到10 m/s以上，對海漫沖擊較大，但2次水躍本身屬于良好的淹沒水躍，消能效果較好；水躍躍前位置大致都發(fā)生在海漫平段末端，此處距海漫末端為35 m，各工況下最大自由躍長為五年一遇工況下的16.56 m，仍遠(yuǎn)小于35 m，因此認(rèn)為海漫末段已停止水躍紊動，下游流態(tài)穩(wěn)定。

3.5 防沖刷優(yōu)化研究

原方案試驗(yàn)條件下，常遇流量工況的上游流態(tài)平穩(wěn)，流速較低，僅在兩個邊閘孔位置產(chǎn)生局部的橫向流速，左側(cè)邊孔的閘墩內(nèi)側(cè)由于橫向流速的影響，產(chǎn)生逆時針的立軸漩渦，而右側(cè)邊孔由于隔流堤和右側(cè)導(dǎo)水墻的橫向阻擋作用，橫向流效果不明顯，僅受到閘墩的側(cè)收縮影響，過流較好。如圖8(a)所示，五年一遇工況下，原方案消力池池中產(chǎn)生稍帶淹沒的水躍，但由于閘孔調(diào)度性能差，下泄水流單寬流量大，出池水流仍為急流，在海漫末端形成2級波浪，水流攜帶余能仍對下游造成不利影響。如圖8(b)所示T型墩方案末端水流擴(kuò)散情況良好，兩側(cè)回流不明顯，一次水躍為良好的淹沒水躍，一次水躍距離閘室出口8 m處，對泄流影響較弱；二次水躍在消力坎后25 m左右，水躍類型是稍許淹沒，并且消能銜接良好，有效減輕對海漫沖刷。

表7 流態(tài)優(yōu)化后各工況海漫水力學(xué)計(jì)算表Tab.7 Hydraulic calculation table under various working conditions after flow state optimization

圖8 一區(qū)消力池流態(tài)對比圖Fig.8 Flow pattern comparison of the silt pond in area 1

如圖8(c)所示，設(shè)計(jì)流量工況下，原方案1區(qū)產(chǎn)生明顯淹沒水躍，由于下游尾水抬高，能量主要集中在表面，下游河床沖刷小，而2區(qū)水流出池水流經(jīng)消力池作用，能量并沒有明顯消減，波動能沿水流方向傳播到下游，水墊較薄，旋滾幅度較大，形成沖擊波流態(tài)，對下游有明顯沖刷。優(yōu)化后如圖8(d)所示，設(shè)計(jì)流量工況由于下游水位較高，雖形成和集中開啟時相類似流態(tài)，但在海漫上水墊較厚，對海漫沖刷程度小，下游水位抬高后，河床抗沖能力也加強(qiáng)，因此下游受沖能力良好。而在消力池內(nèi)由于墩坎作用，淹沒度加大，上下游水位差減小，水流勢能下降，已不具備形成水躍的能力，僅有少數(shù)漩渦經(jīng)水浪涌動至下游表面，不會對河床底造成沖刷影響。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沖刷3～4 h后河床會形成較穩(wěn)定的沖坑，優(yōu)化后沖坑形態(tài)如圖9所示。原方案及優(yōu)化后各工況沖刷情況如表8所示，原方案五年一遇流量工況下沖槽和河床沖深最深分別達(dá)到12.18 m和6.25 m，沖距最遠(yuǎn)，最低點(diǎn)位于壩軸線下游229 m處，為最不利工況，經(jīng)過T型墩方案優(yōu)化后，防沖槽與河床沖坑最大深度分別降低到2.53 m和3.82 m。設(shè)計(jì)流量工況下，防沖槽與河床最大沖深由原方案的8.06 m和8.33 m降低到2.11和2.46 m，進(jìn)一步說明優(yōu)化方案對減輕下游河床沖坑深度有很大的作用。在五年一遇流量工況和設(shè)計(jì)流量工況下，模型優(yōu)化后河床最低點(diǎn)位置較原方案提前，即距離防沖槽最低點(diǎn)位置提前40 m左右，河床淤積高程下降了3 m左右，河床整體沖刷淤積情況得到改善。在增加河道行洪能力的同時改善了下游航道條件，對模型整體流態(tài)具有重要意義。

4 結(jié) 論

本文通過水工模型試驗(yàn)，結(jié)合水利樞紐工程的實(shí)際情況，針對T型墩消能的水力學(xué)特性做了一些研究，現(xiàn)將試驗(yàn)研究主要結(jié)論歸納如下：

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，在原方案設(shè)計(jì)條件下，閘下產(chǎn)生臨界水躍，隨著流量增大，消力池的消能效果降低，海漫和下游河沖刷嚴(yán)重，下游沖刷減小，且消能率均小于30%，因此需要通過一定措施來提高消力池的消能率。

圖9 T型墩方案沖坑樣圖Fig.9 Pit sample drawing of T-shaped pier scheme

工 況設(shè)計(jì)方案防沖槽最低點(diǎn)高程沖坑深度/m最低點(diǎn)位置/m河床最低點(diǎn)高程沖坑深度/m最低點(diǎn)位置/m最大堆丘高程常遇流量原方案58.951.10+16260.781.020+22761.9T型墩方案56.491.810+14360.910.890+17864.4五年一遇原方案49.0112.180+16755.556.250+22964.3T型墩方案55.772.530+14657.983.820+18661.6設(shè)計(jì)流量原方案50.248.060+15253.478.330+24864.4T型墩方案56.192.110+13759.342.460+18260.2

(2)T型墩和尾坎有良好的壅水作用，保證消力池內(nèi)產(chǎn)生淹沒水躍，并在海漫上形成二次水躍進(jìn)一步消減余能，整個消能段的消能率有大幅提高，滿足消能要求，在大單寬流量集中下泄時，隨流量增加，消力池的消能效果降低，海漫上二次水躍消能效果增強(qiáng)。

(3)T型墩方案海漫上已發(fā)生二次水躍的整個過程，劇烈摻混現(xiàn)象沒有波及下游，其中設(shè)計(jì)流量工況下沖坑深度降低至2.46 m，當(dāng)流量增大時，下游沖刷情相比原方案有很大改善。

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