常云華,閆 雋,吳 亮

(長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春130021)

0 引言

水工設(shè)計(jì)中,泄洪消能是非常重要的研究課題,它不僅影響整個(gè)水工樞紐的布置,還影響工程量與投資。我國(guó)對(duì)高水頭的泄洪消能,大部分采用挑流消能、底流消能形式,對(duì)中低水頭采用面流消能。這些消能形式可以起到一定的消能效果,但是往往很不理想。T型墩作為一種新型的輔助消能設(shè)施,其主要消能過(guò)程是:在墩前產(chǎn)生強(qiáng)迫水躍形成高度撞擊的消力池,通過(guò)水躍消除大部分能量,其次,墩的局部阻力使墩的周圍水體的剪切摩擦碰撞也消除了一部分能量,所以它的消能效果優(yōu)于傳統(tǒng)的消能方式。

1 T型墩消力池的工程應(yīng)用及研究情況

T型墩消力池是一種設(shè)輔助消能工的沖擊式消力池,我國(guó)20世紀(jì)70年代后期,在青海雪龍灘水電站、湖南河溪電站、黑龍江省的桃山水庫(kù)、吉林省的沙河子水庫(kù)、吉林省五道水庫(kù)、東林水庫(kù)、楊柳水庫(kù)、小石河水庫(kù)、河龍水電站的工程中逐漸以比較方案的形式,進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),已顯示了以下明顯優(yōu)點(diǎn):(1)由于池內(nèi)設(shè)置T型消力墩,使其池內(nèi)尾墩前產(chǎn)生一強(qiáng)迫水躍,故使水躍長(zhǎng)度減小,所以消力池長(zhǎng)度也大大減小,一般可縮短池長(zhǎng)1/3～1/2;(2)尾水適應(yīng)的變幅較大,尾水深度降低可達(dá)10%～20%;(3)消能效果良好,由于尾水有所降低,消能率有所提高;(4)由于消力池尺寸大大縮小,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

1.1 池內(nèi)流態(tài)及尾水適應(yīng)情況

T型墩消力池的流態(tài),具有底流和面、戽流流態(tài)的混合特點(diǎn),流入消力池的急流水深h1,流速v1,因受T型墩和尾坎阻流作用而形成強(qiáng)迫水躍,坎上有一水浪壅高h(yuǎn)m,以及尾坎后有一小水滾與尾水ht相銜接,坎后底部有一反向漩滾或死水區(qū),見(jiàn)圖1。

圖1 T型墩消力池流態(tài)

消力池內(nèi)的流態(tài),在T型墩體型尺寸及入池水力要素一定的情況下,和尾水位有著密切的聯(lián)系。如把保證池內(nèi)產(chǎn)生臨界水躍時(shí)所需的下游水深作為臨界下游水深htk,由3個(gè)曾做過(guò)下游臨界尾水水深的資料得知(見(jiàn)表1與圖2),尾水的界限水深htk與e/h1值有關(guān),可寫成:

表1 資料表

圖2 e/h1與ht/h″關(guān)系曲線圖

式中:h″——躍后水深。

由此可以得出,T型墩消力池內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)迫水躍的臨界尾水水深,僅為矩形平底消力池的70%左右。

1.2 T型墩消力池減小池長(zhǎng)、池深

總結(jié)國(guó)內(nèi)9個(gè)工程試驗(yàn)成果,如表2。

表2 工程試驗(yàn)成果

從表中數(shù)據(jù)可以看出T型墩消力池的池長(zhǎng)L′僅為平底池L的1/3～1/2,為第二共軛水深的1.3～2.2倍。池深也有所減少,減少最多的僅為平底消力池池深的1/2。

1.3 T型墩消力池提高了消能率

T型墩消力池,主要由墩前的水滾構(gòu)成消能的主體,而坎后的二次水躍,占消除余能的小部分。T型墩消力池正是利用了適用于躍后水深較低的特點(diǎn),故其消能率有明顯提高。形成的強(qiáng)迫水躍,由于尾坎后縱向跌落形成二次水躍,還要消剎部分下泄能量。

根據(jù)其它幾個(gè)水庫(kù)的實(shí)測(cè)資料且經(jīng)過(guò)計(jì)算,其消能率也都在50%以上,結(jié)果也說(shuō)明了T型墩消能率比較高。

2 原型觀測(cè)

原型觀測(cè)與水工模型試驗(yàn)及理論分析是緊密結(jié)合的。2006年長(zhǎng)春工程學(xué)院立項(xiàng)對(duì)梅河口市六八石水庫(kù)消能工的消能效果等進(jìn)行原型觀測(cè),由于2006年來(lái)水量較少,為了保證灌溉用水,沒(méi)有進(jìn)行放水觀測(cè);2007年8月份,在梅河口市水利局的協(xié)助下,對(duì)該水庫(kù)溢洪道消能情況進(jìn)行了原型觀測(cè),主要內(nèi)容包括水位、流速、流態(tài)(包括躍前躍后水深、水面線、水躍形態(tài)及長(zhǎng)度、水躍平面流態(tài)),對(duì)下游沖刷情況進(jìn)行了調(diào)查。

2.1 工程概況

六八石水庫(kù)位于梅河口市輝發(fā)河流域南岸曙光鎮(zhèn)內(nèi)一小支流上,庫(kù)區(qū)積水面積24.86 km2,庫(kù)區(qū)內(nèi)植被良好,淤積現(xiàn)象較輕。河道長(zhǎng)度為10.115 km,河道平均比降為3.8‰,流域面積F=24.86 km2。為了減輕洪水對(duì)梅河口市的威脅,提高該水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益,1996年重建一小I型水庫(kù)。該庫(kù)建成后,可年調(diào)節(jié)水量69.88萬(wàn)m3,年興利庫(kù)容達(dá)62.09萬(wàn)m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇洪水設(shè)計(jì),300a一遇洪水校核。

水庫(kù)樞紐由土壩、溢洪道、輸水洞組成。土壩最大壩高7 m,為均質(zhì)土壩;溢洪道寬 14.6 m,按三孔溢流,每孔凈寬3.8 m,底板高程334.17 m,陡坡段長(zhǎng)15.7 m,陡坡段出口高程343.96 m,消力池原長(zhǎng)17 m,溢洪道設(shè)計(jì)采用了當(dāng)時(shí)一種新型的輔助消能工——T型墩,采用T型墩消力池后,池長(zhǎng)縮短為10.3 m,池深0.5 m。

結(jié)合工程實(shí)際情況,將 T型墩尺寸初擬為:47∶71∶95∶118∶143,消力池布置簡(jiǎn)圖如圖 3。

該工程于1996年建成投入使用,1998年經(jīng)受了相當(dāng)于設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的考驗(yàn),下游沖刷輕微,證明消能效果較好。

2.2 原型觀測(cè)

原型觀測(cè)主要開(kāi)展了水躍、流態(tài)、流速及流速分布、沖刷情況、水位與下泄流量的觀測(cè),并對(duì)原型觀測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)成果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.2.1 水躍觀測(cè)

由于該流域近幾年均為枯水年份,沒(méi)有發(fā)生較大的洪水,下游河床兩岸灘地均被農(nóng)民開(kāi)墾為耕地,為了保證灌溉用水減少農(nóng)民損失,沒(méi)能按設(shè)計(jì)流量放水,只進(jìn)行了小流量的放水試驗(yàn),水躍及消力池水面觀測(cè)結(jié)果如表3。

圖3 消力池布置簡(jiǎn)圖

表3 水躍及消力池水面實(shí)測(cè)表

2.2.2 水流流態(tài)

當(dāng)泄流量較小時(shí),水躍現(xiàn)象不十分明顯,水面旋滾體在尾坎與陡坡之間就形成了約8 m長(zhǎng)的旋滾水體?？埠笏餍凉L不強(qiáng)烈,尾水水面流態(tài)平穩(wěn)。由于只開(kāi)中孔,出閘后水流擴(kuò)散,沒(méi)有出現(xiàn)大的主流平面擺動(dòng),主流居中,只是在陡槽末端靠近邊墻處有回流,流速很小。

當(dāng)三孔全開(kāi)泄流量增大到9.6 m3/s時(shí),T型墩典型流態(tài)較明顯,在距離陡槽末端7.5 m處,產(chǎn)生較明顯的水面旋滾區(qū),涌浪的最大高度2.83 m左右,之后又有一較小的水面旋滾,涌浪后二次跌落長(zhǎng)度小,整個(gè)旋滾體長(zhǎng)度約15 m,水流與尾水銜接比較平穩(wěn),水面波動(dòng)不大。實(shí)測(cè)水流流態(tài)示意圖如圖4,試驗(yàn)與實(shí)測(cè)水躍剖面示意圖如圖5。

2.2.3 流速及流速分布情況

上圖由于泄放流量較小(9.6 m3/s),從實(shí)測(cè)流速結(jié)果看,流速均較小。消力池內(nèi)(距離陡槽末端1.5 m處),表面流速為2.0 m/s,中部流速2.05 m/s,底部流速2.51 m/s,流速分布系數(shù)α=1.15;下游距離消力池尾坎5.0 m處的表面、中部、底部流速分別是 2.41 m/s、2.15 m/s、1.7 m/s,流速分布系數(shù)α=0.83,距離消力池尾坎25.0 m處的表面、中部、底部流速分別是2.32 m/s、2.2 m/s、1.68 m/s,流速分布系數(shù)α=0.81。

2.2.4 壓力及沖刷情況

溢洪道消力池與海漫連接處,為了避免水流對(duì)海曼段的沖刷,設(shè)2.2 m長(zhǎng)漿砌石,后接干砌石海曼段長(zhǎng)20.1 m,坡度為1/15,海曼末端設(shè)1.7 m深防沖槽。海曼后接一段土質(zhì)泄水渠,進(jìn)入原河道。

六八石水庫(kù)工程從完建到現(xiàn)在已運(yùn)行12 a,1998年洪水下泄流量達(dá)到99.5 m3/s,接近該工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn),從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況看,海漫段砌體表面完整,沒(méi)有沖刷破壞;泄水渠由于多年沒(méi)有宣泄較大的流量,1.5 m深以上,均被開(kāi)墾為農(nóng)田,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也表明,1998年發(fā)生的設(shè)計(jì)洪水沒(méi)有對(duì)下游泄水渠造成破壞;消力池底板和T型墩墩體結(jié)構(gòu)表面混凝土沒(méi)有裂縫空蝕破壞產(chǎn)生。

2.2.5 水位與下泄流量關(guān)系

(1)閘門全開(kāi)堰流時(shí),水位—流量關(guān)系見(jiàn)表4,溢洪道泄流曲線如圖6。

(2)閘下出流時(shí),水位—流量關(guān)系

閘門開(kāi)度e一定的情況下,給出不同的上游水頭h,計(jì)算出不同的流量Q。繪出此種情況下,h-Q關(guān)系曲線。給出不同的e,就會(huì)繪出一簇關(guān)系曲線。不同閘門開(kāi)度e下的h-Q關(guān)系表見(jiàn)表5,關(guān)系曲線族如圖7。

表4 水位—泄量關(guān)系表

圖6 溢洪道泄流曲線

表5 不同閘門開(kāi)度e時(shí)h-Q關(guān)系表

圖7 不同閘門開(kāi)度情況下的h-Q關(guān)系曲線族圖

根據(jù)1998年實(shí)測(cè)洪水資料,庫(kù)水位Z=336.17 m,下泄流量為99.5 m3/s,由以上可以看出,原型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)情況h-Q關(guān)系相符合。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)工程應(yīng)用和原型觀測(cè),可以看出,T型墩消力池與平底消力池相比,具有消力池池長(zhǎng)較短,適應(yīng)尾水變幅較大,以及消能效率較高等優(yōu)點(diǎn),所以T型墩消力池是一種既經(jīng)濟(jì)而消能效率又高,又安全可靠的消能結(jié)構(gòu)型式。

(2)由于T形墩的存在,使水流坎前池內(nèi)強(qiáng)迫水躍旋滾、坎后下部旋滾、坎后二次收縮后旋滾及坎上涌浪?！叭凉L一浪”是T型墩消力池的典型流態(tài)。

(3)原型觀測(cè)表明,消力池底板和T型墩墩體結(jié)構(gòu)表面混凝土沒(méi)有裂縫空蝕破壞產(chǎn)生,證明其尺寸和形狀設(shè)計(jì)合理,從而也證明試驗(yàn)研究壓力分布結(jié)果符合實(shí)際。

(4)設(shè)置T型墩,縮短了消力池長(zhǎng)度,通過(guò)水躍消除大部分能量,其次墩的局部阻力使墩的周圍水體的剪切摩擦碰撞也消除了一部分能量,所以它的消能效果優(yōu)于傳統(tǒng)的消能方式。

(5)原型觀測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)研究結(jié)論相吻合。

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