尾柵對嵌槽消力池消能效果的提升與參數(shù)優(yōu)化研究

陳善卯

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 571100)

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

此次研究以某在建水利工程為依托進行物理試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計。該工程的大壩壩頂高程304.5 m，最大壩高65.5 m，壩軸線長198.0 m。其表孔泄洪洞布置在大壩右岸，其進口為WES堰型設(shè)計，堰頂高程為291.0 m，其設(shè)計洪水位為300.0 m，設(shè)計泄流量為330.0 m3/s，校核洪水位為303.36 m，校核泄流量為553.0 m3/s。泄洪洞主要由引渠段、控制段、洞身段、挑流鼻坎以及下游消力池和護坦等部分組成，長度為335.8 m[1-6]。

此次試驗采用重力相似準則進行試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計[7]，結(jié)合工程的原始設(shè)計和場地因素，選擇1∶50的幾何比尺，并以此為基礎(chǔ)計算獲取其他物理量比尺，結(jié)果如表1所示。

表1 模型試驗物理量比尺

1.2 模型制作

此次試驗的系統(tǒng)主要由地下水庫、水泵、高位水池、供水管道、電磁流量計、穩(wěn)流箱、進水渠、模型試驗區(qū)、尾水渠以及回水渠等幾大部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，閘閥和電磁流量計用于試驗流量的測試和控制，穩(wěn)流箱和穩(wěn)流柵的主要作用是保證水流平穩(wěn)進入試驗區(qū)，模型試驗區(qū)用于布置試驗?zāi)Ｐ秃瓦M行相關(guān)參數(shù)測量。在試驗過程中，利用水泵將地下水庫的水輸送至高位水池，通過供水管道溢流到試驗渠道，通過閘閥和電磁流量計控制流量，通過穩(wěn)流箱和穩(wěn)流柵穩(wěn)流后進入模型試驗區(qū)，最后經(jīng)過回水渠回到地下水庫。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

模型的引渠段、控制段、洞身段、挑流鼻坎以及下游消力池均使用厚度為10 mm的有機玻璃板制作，其余部位利用PVC板制作，其糙率可以模擬混凝土的糙率，滿足試驗設(shè)計的具體要求[8]。整個溢洪道每隔1 m設(shè)置一個角鋼框架結(jié)構(gòu)，以保證模型的穩(wěn)定性。

1.3 試驗儀器與方法

試驗中利用水位測針測量水深，測量精度為0.01 mm，滿足水深測量精度。在測量過程中首先將水位測針放在水平架上，將測針輕觸底板測量底面水深，之后移動測針測量表面水深，兩者之差為該點水深值。

流速測量采用ADV超聲多普勒流速儀和ZLY-I 手持智能型流速儀。對于流速較小、水深較淺的部位采用ZLY-I 手持智能型流速儀測量。

試驗中的流量測量采用E-magC 型電磁流量計，其測量精度為0.2%，滿足試驗要求。

1.4 試驗方案

為了分析尾柵對不同流量情況下消力池消能效果的影響，試驗中結(jié)合背景工程的水文特征，設(shè)置15 L/s、20 L/s和25 L/s三種不同的上游來水流量。對于尾柵的參數(shù)，選擇形狀、寬度、高度、排距和排數(shù)5個主要參數(shù)進行分析。尾柵形狀選擇矩形、等邊三角形和等腰梯形三種不同的截面形狀，其中，矩形和等腰梯形截面的長高比均為2∶3，矩形長邊與水流方向一致。等邊三角形的高與水流方向一致，底邊在下游方向。等腰梯形的高與水流方向一致，下底在上游方向，下底長為上底長的0.6倍。尾柵寬度為1.0 cm、1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm和3.0 cm共5種不同水平；高度設(shè)置3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm、4.5 cm和5.0 cm共5種不同的因素水平；排距設(shè)置4.0 cm、4.5 cm、5.0 cm、5.5 cm和6.0 cm共5種不同的因素水平；排數(shù)設(shè)置1排、2排、3排、4排和5排共5種不同的設(shè)置方式。為了減小模型試驗量，采用固定4個參數(shù)值不變，對第5個參數(shù)不同水平的影響進行試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算不同方案、不同流量下的消能率，最終獲得最優(yōu)方案。試驗中以沒有尾柵設(shè)計的嵌槽消力池作為對比方案。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 形 狀

保持尾柵寬度2 cm、高度4 cm、排距5 cm、排數(shù)為3排4個參數(shù)不變，對不同尾柵形狀方案進行模型試驗。為了直觀呈現(xiàn)不同尾柵形狀對消能率的影響，繪制出不同尾柵形狀消能率的柱狀圖，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著流量的增加，各方案的消能率均不斷減小，這與工程經(jīng)驗一致，即下瀉流量增大會導(dǎo)致消力池消能率下降。在流量相同的情況下，不同尾柵形狀方案的消能率均顯著大于對比方案，說明在嵌槽消力池下游設(shè)置尾柵可以提高消力池的消能率，具有一定的工程應(yīng)用價值。另一方面，三種不同尾柵截面形狀方案中，消能率最高的是等腰梯形方案，其次是矩形方案，消能率最低的為等邊三角形方案。因此，等腰梯形方案最優(yōu)，為推薦方案。

圖2 不同尾柵形狀消能率柱狀圖

2.2 寬 度

選擇等腰梯形截面方案，保持尾檻高度4 cm、排距5 cm、排數(shù)為3排參數(shù)不變，對不同尾柵寬度方案進行模型試驗。消能率隨尾柵寬度的變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著尾柵寬的增加，消力池的消能率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)試驗流量較小時，各方案的消能率差別相對較小，當(dāng)試驗流量較大時各方案消能率的差別相對較大。當(dāng)尾柵的寬度為2.5 cm時消力池的消能率最高，為尾柵寬度的最佳值。

圖3 消能率隨尾柵寬度變化曲線

2.3 高 度

選擇等腰梯形截面方案，保持尾檻寬度為2.5 cm、排距5.0 cm、排數(shù)為3排參數(shù)不變，對不同尾柵高度方案進行模型試驗。消能率隨尾柵高度的變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在小流量試驗方案下，消力池的消能率隨著尾柵高度的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，在大流量試驗方案下，消力池的消能率隨著尾柵高度的增大呈現(xiàn)出先迅速增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。由此可見，如果消力池的泄流量較小，較低的尾柵高度即可滿足消能要求，也可以節(jié)省工程投資。在流量較大的情況下，尾柵高度超過3.5 cm時對提高消力池消能率的作用有限。綜合不同流量的試驗結(jié)果，尾柵高度為3.5 cm的方案為最佳方案。

圖4 消能率隨尾柵高度變化曲線

2.4 排 數(shù)

選擇等腰梯形截面方案，保持尾檻寬度為2.5 cm、高度3.5 cm、排距5.0 cm參數(shù)不變，對不同尾柵排數(shù)方案進行模型試驗。消能率隨尾柵排數(shù)的變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，在不同流量工況下，消力池的消能率隨著尾柵排數(shù)的增加呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點，但是增大的速率不斷減小。由此可見，增加尾柵的排數(shù)，可以有效增加消力池的消能率。從背景工程的試驗數(shù)據(jù)來看，當(dāng)尾柵排數(shù)<3排時消能率的增加幅度較大，>3排時增加的幅度十分有限。因此，考慮消能率和工程的經(jīng)濟性，尾柵排數(shù)以3排為最佳。

圖5 消能率隨尾柵排數(shù)變化曲線

2.5 排 距

選擇等腰梯形截面方案，保持尾檻寬度為2.5 cm、高度3.5 cm、排數(shù)為3排參數(shù)不變，對不同尾柵排距方案進行模型試驗。消能率隨尾柵排距的變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在不同流量工況下，消力池的消能率隨著排距的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點，當(dāng)排距為4.5 cm時的消能率最大。因此，背景工程的排距設(shè)計為4.5 cm為最佳。

圖6 消能率隨尾柵排距變化曲線

3 結(jié) 語

采用科學(xué)合理的消能結(jié)構(gòu)對提高水利工程消能設(shè)施的消能效果具有重要意義，是消能設(shè)計中需要研究和關(guān)注的重要方面。此次研究利用模型試驗的方式，探討了尾柵對嵌槽消力池消能效果的影響。試驗結(jié)果顯示，設(shè)置尾柵可以有效提升消力池的消能率，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的尾柵方案在3種不同流量下的消能率與對比方案相比分別提高了5.46%、9.20%和12.05%，大流量工況下的優(yōu)勢十分顯著，具有良好的工程應(yīng)用價值。此次研究僅針對消能率這一指標(biāo)展開討論，在后續(xù)研究中需要進一步探討尾柵對池內(nèi)流速、流態(tài)以及空化作用的影響，以期獲得更為準確和全面的結(jié)論。