帶尾墩的新型綜合消力池試驗(yàn)研究

楊 姣，劉亞坤，張 帝，段雙帥，岑嘉豪，劉春明

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

流態(tài)穩(wěn)定、消能效果顯著，適用于各種地質(zhì)較差情況、泄洪霧化影響小等優(yōu)點(diǎn)使得底流消能廣泛使用[1-2]。盡管底流消能存在諸多優(yōu)勢(shì)，但底流消能[3]需修建大型消力池，增加工程投資；隨著工作水頭的增加，消力池臨底流速[4]增大，很難保證消力池自身的泄洪安全[5]。消力池內(nèi)受高速水流沖擊，紊動(dòng)劇烈，底板上紊流脈動(dòng)壓力[6]加劇，消力池的臨底流速和脈動(dòng)壓強(qiáng)[7]一般較大，消力池自身泄洪安全[8-9]需更加注意。消力池發(fā)生破壞[10-11]最為嚴(yán)重的是底板結(jié)構(gòu)毀壞[12]，對(duì)工程安全所構(gòu)成的威脅最大[13-15]。五強(qiáng)溪水電站右岸溢洪道由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在惡劣的水流流態(tài)下，水流掀起并沖走了部分底板塊，并在基巖處形成超過(guò)30 m的沖坑[16-17]；新疆蘑菇湖[18]因消力池內(nèi)水流流態(tài)不佳造成消力墩被沖走，致使下游河道沖刷嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅工程安全；安康大壩表孔消力池底板也曾在運(yùn)行時(shí)遭受到破壞[19]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在消力池的水流流態(tài)、臨底流速、脈動(dòng)壓強(qiáng)分布等方面做了大量的研究。張強(qiáng)等[20]通過(guò)對(duì)底流消力池內(nèi)水流流態(tài)分析得出隨入池能量的變化，消力池內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多種形式的水流流態(tài)。秦翠翠[21]、孫雙科等[22]通過(guò)對(duì)比分析跌坎型消力池與非跌坎型消力池發(fā)現(xiàn)，跌坎型消力池臨底水流參數(shù)大大降低。劉達(dá)等[23]研究了不同入流角度對(duì)消力池相關(guān)水力特性的影響。本文以待建的新疆某水利樞紐為例，通過(guò)在常規(guī)消力池中設(shè)置不同的輔助消能工以及改變常規(guī)消力池池深與寬度等方式增加消能率，改善下游水流形態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)不同方案下水流形態(tài)、流速、時(shí)均壓強(qiáng)、水深等水力學(xué)參數(shù)，并比較各方案消能率，確定最終方案。

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

1.1 模型試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)依托國(guó)內(nèi)待建的新疆某水利工程的水工模型進(jìn)行研究，泄洪建筑物由開(kāi)敞式溢洪道與泄洪沖砂兼導(dǎo)流洞組成。開(kāi)敞式溢洪道位于右岸，由引渠段、控制段、陡槽及擴(kuò)散段、消力池段及護(hù)坦段5部分組成，模型示意如圖1所示。

圖1 模型示意

溢洪道總長(zhǎng)804.79 m，進(jìn)口引渠段長(zhǎng)62.16 m，底板高程2 095.90 m?？刂贫窝咝筒捎民劮逖?，進(jìn)口控制段位于大壩右坎肩，軸線(xiàn)與壩軸線(xiàn)正交。堰頂高程2 098.00 m，堰高2.10 m，凈寬10.00 m，1孔，在弧形工作閘門(mén)前設(shè)置檢修閘門(mén)，堰后接i=1/200泄槽陡坡段。陡坡段后接85級(jí)臺(tái)階，臺(tái)階高1.0 m、長(zhǎng)2.0 m。臺(tái)階段后接消力池，消力池長(zhǎng)46.0 m、寬17.0 m、深6.3 m。

1.2 試驗(yàn)裝置及測(cè)試手段

試驗(yàn)按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用1∶50正態(tài)模型，模型材料為有機(jī)玻璃。采用水位測(cè)針及水位跟蹤儀測(cè)定恒定流水位；DJ800多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及壓力傳感器測(cè)定時(shí)均壓強(qiáng)，LGY-Ⅱ流速儀測(cè)量流速。流速及水深共設(shè)置6個(gè)測(cè)量斷面，測(cè)量每個(gè)斷面的底部、中部及表面流速；順?biāo)餮剌S線(xiàn)布置8個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，流速、水深及測(cè)壓點(diǎn)布置方式及位置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

設(shè)置10組試驗(yàn)。①原方案，消力池長(zhǎng)46.0 m、寬17.0 m、高6.3 m，無(wú)輔助消能工；②方案1，消力池距尾部0+222.903處設(shè)置1道截面為直角梯形(高1.0 m、上底0.2 m、下底1.2 m)且與消力池等寬的通坎；③方案2，在消力池尾坎迎水面等距設(shè)置4個(gè)相同的消能墩(高3.15 m、寬2.35 m，頂部順?biāo)鏖L(zhǎng)1.275 m)，消能墩斜面與尾坎面貼合，間隔放置，間距為2.53 m；④方案3，結(jié)合方案1與方案2中的輔助消能工；⑤方案4，在方案2的基礎(chǔ)上將消力池尾坎上的4個(gè)尾墩加厚(頂部順?biāo)鏖L(zhǎng)2.275 m)，布置方式同方案2；⑥方案5，將方案2中的4個(gè)尾墩加高至與消力池尾坎齊平(高6.3 m、寬2.35 m，頂部順?biāo)鏖L(zhǎng)2.55 m)，且結(jié)合方案1中消力坎；⑦方案6，在尾坎處布置尾墩，尾墩布置方式同方案5；⑧方案7，在原方案基礎(chǔ)上將消力池加深1 m、加寬4 m；⑨方案8，消力池加深1 m、加寬4 m，在消力池尾坎迎水面布置等高的4個(gè)尾墩(高7.3 m、寬3.867 m，頂部順?biāo)鏖L(zhǎng)3.55 m，間距2.18 m)；⑩方案9，在方案8基礎(chǔ)上將4個(gè)尾墩加高1 m。各方案示意如圖3所示。選取消能水位2 105.19 m進(jìn)行泄洪消能試驗(yàn)。

圖3 各方案示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水流形態(tài)

原方案中水流進(jìn)入消力池后，沿底板急速前進(jìn)，向上翻滾，未形成充分水躍，水舌[24]向下游擴(kuò)展不

開(kāi)，水流濺出消力池，出池后水流形成二次水躍的惡劣流態(tài)(如圖4a所示)，沖刷下游河床[25]。在消力池中后部水位壅高，水體在池內(nèi)波動(dòng)劇烈，出池水流形成一定的跌落差，消能效果明顯不足。方案1～方案6與原方案相比，消力池內(nèi)水流流態(tài)有所改善，水流分散入池，下泄水體混摻[26]充分。下泄水流在消力池前端劇烈旋滾，二次水躍現(xiàn)象改善不明顯，仍在水流出池30 m位置處形成二次水躍。

圖4 原方案與方案8出池流態(tài)

方案7～方案9水流流態(tài)比較平穩(wěn)。相較于方案7泄流，方案8與方案9水流在消力池內(nèi)充分摻氣旋滾，在出池處波動(dòng)較小，出池后二次水躍現(xiàn)象消除明顯(如圖4b所示)，水流與下游河道銜接平順；消力池前部水流紊動(dòng)劇烈，中后部水面有較小波動(dòng)。

2.2 消力池內(nèi)流速

各方案下消力池內(nèi)沿程斷面流速分布如圖5所示。各方案下沿程底部流速最大不超過(guò)11 m/s，當(dāng)

圖5 消能水位2 105.19 m時(shí)各方案沿程流速

水流流經(jīng)最后一級(jí)臺(tái)階后，水股入射沖擊點(diǎn)距消力池進(jìn)口11.5 m左右，在沖擊區(qū)域水流湍急，在樁號(hào)0+200.453處流速增大。水流在消力池內(nèi)流速最小點(diǎn)在尾坎處，因此整體近似呈“駝峰”狀。方案8底部流速明顯小于其他方案，其原因在于消力池加寬加深后，水股入射最后一級(jí)臺(tái)階至消力池底板處深度加深，消力池水體之間相互碰撞、摩擦、剪切作用加大，表面旋滾劇烈，底板沿程臨底流速下降明顯。方案8在樁號(hào)0+200.453 8處底部流速下降至6.38 m/s，相較于原方案降幅為37.32%，出池水流流速也相較于原方案下降32.91%。

水流在消力池內(nèi)不斷向上翻涌，混摻，因此各方案下沿程中間流速相比于底部以及表面流速相對(duì)紊亂。當(dāng)尾部設(shè)置4個(gè)等距且與尾坎齊平的尾墩(方案5、方案6、方案8)泄洪時(shí)，水流沿溢洪道傾瀉而下，在抵達(dá)消力池尾坎前，下泄水流被差動(dòng)式尾墩分為3個(gè)部分。其中，豎直面減小來(lái)流沖擊力，并消除余能；差動(dòng)式尾墩將下泄水流分為7股支流，其中3股支流被尾坎挑起到下游海漫，有效利用尾坎出口縱向空間，使得水流空中消能效果增強(qiáng)，期間部分能量被消耗；剩余4股支流能量經(jīng)過(guò)差動(dòng)式尾墩的直接消耗后，在尾坎上方橫向擴(kuò)散消除，因此出池水流流速沿水深方向分布相對(duì)更為均勻。

2.3 消力池水深

在消能水位2 105.19 m時(shí)，對(duì)比分析各方案下消力池水深，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6。方案1、方案3、方案5中水流在消力池內(nèi)起伏明顯。在布置通坎前，消力池底部水流劇烈旋滾，形成大小不一的氣泡向上翻滾，在消力池尾部形成一定的跌落差。布置通坎后消力池內(nèi)，波動(dòng)較平穩(wěn)。

圖6 消能水位2 105.19 m下各方案消力池水深

當(dāng)消力池尾部設(shè)置楔形尾墩時(shí)(方案6)，消力池尾坎上水頭增加，水面線(xiàn)變化平穩(wěn)，水面波動(dòng)幅度較小。將消力池加寬4 m、加深1 m(方案7、方案8、方案9)后，水面波動(dòng)也較小。出池后二次水躍現(xiàn)象消除明顯，因此在方案7～方案9時(shí)進(jìn)行了設(shè)計(jì)洪水位2 105.24 m，校核洪水位2 105.74 m的消能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，方案7～方案9中消力池水深略高于其他方案。整體而言，方案8在特征水位下水深變化最為平緩。

圖7 方案7～方案9消力池水深

2.4 時(shí)均壓強(qiáng)

在消能水位2 105.19 m時(shí)，不同方案時(shí)均壓強(qiáng)分布如圖8所示。顯然，針對(duì)各方案，水流均直接射擊在樁號(hào)0+200.453近，部分水股向后回旋，在樁號(hào)0+188.953～ 0+200.453范圍內(nèi)出現(xiàn)壓強(qiáng)極值，消力池內(nèi)水深呈現(xiàn)沿程增加的趨勢(shì)，臨底流速逐漸降低。

圖8 消能水位2 105.19 m時(shí)各方案時(shí)均壓強(qiáng)分布

由圖8可知，時(shí)均壓強(qiáng)在消力池尾坎處達(dá)到最小，且方案7～方案9的時(shí)均壓強(qiáng)相對(duì)低于原方案和方案1～方案6。這一方面是由于方案7～方案9中的消力池進(jìn)行了加寬和加深，另一方面是由于方案8和方案9中布置的尾墩使得尾坎處形成7股水流、相互摻混碰撞，消耗大量的能量，時(shí)均壓強(qiáng)減小。

設(shè)計(jì)洪水位與校核洪水位下方案7～方案9沿程時(shí)均壓強(qiáng)分布如圖9所示。結(jié)果表明，各方案下時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律基本一致。增大消力池寬度與池深(方案7～方案9)，消力池內(nèi)能夠形成有效的淹沒(méi)，水流射擊消力池底板后，底部漩渦反向從消力池兩側(cè)角隅處涌出，與邊墻處附壁射流和淹沒(méi)回流[27]之間相互混摻、摩擦、剪切。在消力池出口隅角處，水流上涌且突擴(kuò)，導(dǎo)致消力池內(nèi)中尾部臨底流速逐漸降低，底板的時(shí)均壓強(qiáng)呈上升趨勢(shì)(樁號(hào)0+206.953～0+233.085)。針對(duì)消能洪水位2 105.19 m、設(shè)計(jì)洪水位2 105.24 m、校核洪水位2 105.74 m，時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律一致。

圖9 方案7～方案9時(shí)均壓強(qiáng)沿程分布

2.5 消能率

通過(guò)消力池進(jìn)出口所減少的能量占總能量之比來(lái)計(jì)算消力池的消能率[28]。計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

式中，E1、E2分別為由壓能、勢(shì)能、動(dòng)能組成的消能前、后斷面總水頭；ν1、ν2分別為消能前、后斷面平均流速；h01、h02分別為水深在消能前、后斷面處的平均水深。

計(jì)算參考斷面選取消力池進(jìn)口及消力池出口，勢(shì)能參考面選取消力池底板Z=2 009.5 m。各方案消能率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。受消力池內(nèi)深尾水束縛，尾坎處消能墩高度小于尾坎時(shí)，水流在出池時(shí)出現(xiàn)部分壅高現(xiàn)象，使得方案3計(jì)算消能率低于原方案，其余方案消能率均高于原方案。特別地，針對(duì)方案8，消力池加寬4 m、加深1 m，并在尾坎上布置與尾坎齊高的差動(dòng)式消能墩，消能率可達(dá)到24.94%，消能效果最佳。

表1 各方案消力池消能率

3 結(jié) 論

通過(guò)10個(gè)不同方案下的模型試驗(yàn)，測(cè)量并分析各方案下的水流流態(tài)、流速分布、沿程水深及時(shí)均壓強(qiáng)的分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)原方案中消力池內(nèi)水流出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩水躍現(xiàn)象，主流翻濺并溢出消力池；消力池臨底流速較大，時(shí)均壓強(qiáng)有明顯突變點(diǎn)，出口水流流態(tài)不佳，有較大的跌落差；方案1～方案6中設(shè)置輔助消能工后，水流流態(tài)明顯改善，但出池后仍出現(xiàn)二次水躍現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，推薦方案的消能率從原方案的15.79%提高到24.94%，水流波動(dòng)幅度較小，時(shí)均壓強(qiáng)無(wú)明顯突變點(diǎn)；消力池內(nèi)水流形成淹沒(méi)水躍，出池流態(tài)較好，出池后二次水躍現(xiàn)象明顯消除；尾坎上形成7股支流分別從縱向和橫向擴(kuò)散，消能效果顯著，極大削弱了出池水流能量，確保下游河床、岸坡及建筑物等免遭沖刷毀壞，有效解決泄水建筑物下游因消能不足引起的沖刷問(wèn)題。鑒于對(duì)消力池內(nèi)的水力參數(shù)分布規(guī)律的研究，結(jié)果表明設(shè)置差動(dòng)式尾墩的消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)工程實(shí)際的指導(dǎo)具有重要意義。