吳戰(zhàn)營(yíng),牧振偉
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆烏魯木齊 830000)
消力池是一種常見底流消能形式[1-5],但其消能效率通常較低,工程量較大,因此通常需設(shè)置各種形式的輔助消能工[6-9]。近年來(lái),我國(guó)學(xué)者對(duì)輔助消能工的水力特性研究較多,并取得了一些研究成果。懸柵消能工是一種消能率較高的新型輔助消能工[10],在消力池內(nèi)利用水躍和懸柵共同消能,但不同于設(shè)置懸柵的泄水陡槽。懸柵消能工和其他輔助消能工聯(lián)合運(yùn)用的情況未見報(bào)道,深入研究懸柵消能工與其他輔助消能工聯(lián)合運(yùn)用的形式對(duì)改善消力池內(nèi)水流流態(tài)和優(yōu)化懸柵輔助消能工結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以新疆迪那河五一水庫(kù)溢洪洞消力池水力學(xué)模型為例,采用試驗(yàn)方法研究梯形墩、T形墩、懸柵等輔助消能工聯(lián)合運(yùn)用情況下的水力特性和消能效率。
迪那河五一水庫(kù)樞紐工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺(tái)縣群巴克鄉(xiāng)境內(nèi),距輪臺(tái)縣以北40 km,是迪那河干流上的控制性工程,具有供水、防洪、灌溉等綜合效益,由大壩、溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、發(fā)電引水隧洞和壓力管道等主要建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位1370.00 m,最大壩高102.5 m,設(shè)計(jì)洪水位1370.69m,校核洪水位1373.17 m,初期導(dǎo)流最高水位1321.29 m,后期導(dǎo)流最高水位1334.26 m,溢洪洞設(shè)計(jì)流量1351.97m3/s,校核流量1767.16 m3/s。溢洪洞布置在左岸導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞的外側(cè),其軸線與壩軸線的夾角為68°,由進(jìn)口引渠段、控制段、洞身段、陡坡段、消力池段及出口明槽段組成。進(jìn)口引渠為復(fù)式梯形斷面,長(zhǎng)426.106m,底板高程1353.50m,底板寬度15 m??刂贫螢殚_敞式進(jìn)口,采用WES堰型,堰頂高程 1358.00 m,堰寬15 m??刂贫卧O(shè)平板檢修門、弧形工作門各1道。洞身縱坡為0.05,采用城門洞形斷面。消力池長(zhǎng)83m,底寬18 m,墻高23m,底板高程1274.70 m,坎頂高程1281.00 m,墻頂高程1297.70m,消力池內(nèi)末端布置T形墩消能工。出口明槽段長(zhǎng)30m,寬18m。溢洪洞消力池原設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。
圖1 溢洪洞消力池原設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)布置示意圖 (單位:m)
模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容以及供水、場(chǎng)地等條件,再考慮溢洪洞模型有機(jī)玻璃板的標(biāo)準(zhǔn)尺寸問(wèn)題,模型幾何比尺為54.167,模型模擬長(zhǎng)度為1340 m,其中模擬壩軸線上游460 m,采用定床模型;模擬壩軸線下游880 m,導(dǎo)流洞出口末端以后采用動(dòng)床模型。模型總長(zhǎng)25 m,壩軸線上游平均寬度為6 m,下游平均寬度為2 m。模型設(shè)計(jì)采用的幾何比尺、流量比尺、流速比尺、糙率比尺、時(shí)間比尺分別是 54.167、7、7.36、1.945、7.36。
溢洪洞的城門洞出口斷面(0+574.635)在設(shè)計(jì)流量及校核流量運(yùn)行工況的平均流速分別為25.88 m/s和29.11 m/s。在設(shè)計(jì)流量時(shí),由于水躍的躍前斷面流速較大,梯形墩位于城門洞出口反弧段末端附近,高速水流直接擊打梯形墩的迎水面,水流受到梯形墩的阻擋被挑射到空中,造成消力池內(nèi)水花飛濺,流態(tài)紊亂。在校核流量時(shí),由于消力池內(nèi)T形墩的阻擊作用增強(qiáng),池內(nèi)水深明顯增加,翻滾的水流回流到躍前斷面,抑制了池內(nèi)飛濺的水花,但池內(nèi)水面翻滾,波動(dòng)仍較大,消力池的中后部水深偏大,0+680.522斷面處最大涌浪高25.4 m。溢洪洞消力池原設(shè)計(jì)方案消力池內(nèi)水流流態(tài)如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:原設(shè)計(jì)方案的消力池深度、邊墻高度等結(jié)構(gòu)尺寸以及梯形墩、T形墩的位置和數(shù)量均不能滿足正常宣泄洪水的要求,因此需對(duì)溢洪洞消力池的結(jié)構(gòu)尺寸和輔助消能工的位置、數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。
圖2 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)池內(nèi)水流流態(tài)
對(duì)梯形墩和T形墩的位置、數(shù)量和尾坎高度等進(jìn)行調(diào)整,制定了17種方案進(jìn)行消力池優(yōu)化方案試驗(yàn),將有代表性的8種修改方案列入表1。
a.修改方案1。由于梯形墩的阻水作用產(chǎn)生強(qiáng)迫水躍,破壞了消力池內(nèi)原有水躍的結(jié)構(gòu)形態(tài),為了能充分觀察原消力池內(nèi)的水躍形態(tài),將位于消力池前部的梯形墩去掉,T形墩的位置、數(shù)量和尾坎高度仍同原設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)流量時(shí),水躍明顯后移,躍前斷面位于0+652.236處,躍后斷面位于尾坎后明渠段,消力池內(nèi)不能形成淹沒(méi)水躍。尾坎處水深已達(dá)到消力池邊墻高度,明渠段末端(0+745.236)流速為11.92 m/s。
b.修改方案2。由于原設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)流量時(shí)梯形墩首部流速過(guò)大,水流被挑射到空中,將梯形墩后移20 m,T形墩位置、數(shù)量和尾坎高度仍同原設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)流量時(shí),發(fā)現(xiàn)消力池內(nèi)仍不能形成淹沒(méi)水躍,梯形墩前水流受到阻擋被挑射到空中,流態(tài)紊亂。明渠段末端流速為11.83 m/s,池內(nèi)總體流態(tài)與原設(shè)計(jì)方案相似。
表1 消力池修改方案
c.修改方案3。由方案1、2可知,原設(shè)計(jì)方案的消力池深度明顯不夠,不能在池中形成淹沒(méi)水躍,需加大消力池深度。查閱梯形墩輔助消能工的相關(guān)文獻(xiàn)資料得知梯形墩前流速不宜大于15 m/s,將梯形墩后移27 m,尾坎加高2 m。在設(shè)計(jì)流量時(shí),躍前斷面位于圓弧段末端(0+632.236),消力池前部水深偏低,中部及尾坎處涌浪較高,水深偏大,偶爾水花濺出池外,水面波動(dòng)較大,翻滾劇烈,明渠段末端流速為10.36 m/s。
d.修改方案4??紤]到梯形墩位置對(duì)消力池流態(tài)的影響,將梯形墩后移17 m,尾坎加高2 m。在設(shè)計(jì)流量時(shí),消力池的中后部水深較高,水面相對(duì)平穩(wěn),水花濺出池外相對(duì)較少,明渠段末端流速為10.26 m/s。在校核流量時(shí),消力池的中后部水深較高,水面涌浪較高,水花偶爾濺出池外,明渠段末端流速為10.85 m/s。
e.修改方案5。為了研究梯形墩的間距對(duì)消力池消能效果及流態(tài)的影響,將梯形墩后移27m,墩間距加大10m,尾坎加高2 m。在設(shè)計(jì)流量時(shí),消力池內(nèi)前部水深較低,水花飛濺跳躍,中部水深涌浪較高,偶爾水花濺出池外,明渠段末端流速為10.75 m/s。在校核流量時(shí),由于流量增加,水躍的躍前斷面明顯后移,位于圓弧段末端(0+632.236)處,消力池的前部水流翻滾更加劇烈,中后部水深偏大,中部最大水深基本與邊墻持平,明渠段末端流速為10.93m/s。
f.修改方案6。改變梯形墩的位置、間距和尾坎高度后消力池內(nèi)水流流態(tài)有所改善,將梯形墩后移17 m,并改變梯形墩和T形墩的數(shù)量,尾坎加高2 m,觀察池內(nèi)水流流態(tài)的變化。在設(shè)計(jì)流量時(shí),躍前斷面位于0+628.522處,消力池前部水面波動(dòng)較大,水花較大,偶爾水花濺出池外,中部涌浪較高,但水面相對(duì)平穩(wěn),明渠段末端流速為10.62 m/s。在校核流量時(shí),躍前斷面位于0+626.522處,消力池前部水面波動(dòng)加劇,中部最大水深基本與邊墻持平,明渠段末端流速為10.92 m/s。
g.修改方案7。由試驗(yàn)現(xiàn)象觀察得知位于消力池尾坎處的T形墩消能效果不明顯,在其前部不能形成強(qiáng)迫水躍,將梯形墩后移17 m,去掉T形墩,尾坎加高2 m,池長(zhǎng)縮短7 m。在設(shè)計(jì)流量時(shí),消力池前部水深偏低,水花較大,偶爾水花濺出池外,中后部及尾坎處涌浪較高,水深偏高,但水面相對(duì)平穩(wěn),明渠段末端流速為11.03 m/s。
h.修改方案8。為了減小消力池內(nèi)最大水深,降低尾坎處涌浪高度,將梯形墩后移12 m,去掉T形墩,池深加深2 m,縮短池長(zhǎng)13 m,尾坎通過(guò)1∶8變坡后與消力池平坡明渠相接。在設(shè)計(jì)流量時(shí),消力池內(nèi)水面波動(dòng)較大,前部水深偏低,但翻滾、波動(dòng)較大,偶爾濺起水花,中部水深由于受到梯形墩的阻水作用,水深明顯加大,消力池內(nèi)最大水面壅高達(dá)23.73 m。溢洪洞出口消力池末端沖刷坑最大深度達(dá)12.58m,沖坑的最低點(diǎn)距消力池末端水平距離為25.46 m。校核流量下,隨著流量的增大,躍前斷面后移,高速水流直接擊打到梯形墩上,水流受到阻擋被挑射到空中,造成水花濺出池外,不能形成淹沒(méi)水躍,消力池內(nèi)流態(tài)紊亂。
通過(guò)修改消力池的結(jié)構(gòu)尺寸及T形墩和梯形墩的位置、數(shù)量和尾坎高度,消力池內(nèi)流態(tài)仍不是很理想,經(jīng)過(guò)對(duì)比修改方案的試驗(yàn)結(jié)果,初擬在修改方案8的基礎(chǔ)上,加設(shè)13根懸柵條,柵條間距5 m,柵條高度距池底9m,懸柵優(yōu)化方案1的布置見圖3。
圖3 懸柵優(yōu)化方案1布置示意圖 (單位:m)
在設(shè)計(jì)流量時(shí),與無(wú)懸柵消力池相比,懸柵消力池池內(nèi)水深明顯下降,其中后部水面平穩(wěn),明顯低于設(shè)計(jì)邊墻高度,消力池內(nèi)最大水深22 m,但水躍躍前斷面的表面漩滾區(qū)水深較大,偶爾水花濺出池外,設(shè)計(jì)流量時(shí)懸柵優(yōu)化方案1池內(nèi)水流流態(tài)見圖4。
圖4 設(shè)計(jì)流量時(shí)懸柵優(yōu)化方案1池內(nèi)水流流態(tài)
為了解決躍前斷面水花飛濺的問(wèn)題,在圓弧段末端(0+632.236)前部加設(shè)3根懸柵條,后部加設(shè)13根柵條,柵條間距5 m,前部3根懸柵條距池底分別為6.43m、7.97m和8.8m,后部13根柵條距池底9 m,懸柵優(yōu)化方案2的布置見圖5。
圖5 懸柵優(yōu)化方案2布置示意圖 (單位:m)
試驗(yàn)結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)流量時(shí),消力池內(nèi)水面平穩(wěn),最大水深發(fā)生在0+698.496處,其值為21.13 m,較懸柵優(yōu)化方案1的22 m有所下降。躍前斷面的水面翻滾減弱,水面相對(duì)平穩(wěn),消力池0+738.194處的斷面平均流速為9.58 m/s,懸柵消力池消能率為76.77%。在校核流量時(shí),懸柵的置入破壞了水躍的結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了池內(nèi)水流強(qiáng)烈的混摻、碰撞,另外懸柵對(duì)梯形墩挑起的水流有一定的削減抑制作用,導(dǎo)致水流在池內(nèi)的能量得到削減,水深較設(shè)計(jì)流量時(shí)有所增大,最大水深發(fā)生在0+698.496處,其值為22.48 m,消力池內(nèi)不僅能形成淹沒(méi)水躍,而且水流流態(tài)較其他方案明顯改善,消力池末端斷面0+738.194處的平均流速為10.59 m/s,懸柵消力池消能率為77.55%。不同流量時(shí)懸柵優(yōu)化方案2池內(nèi)水流流態(tài)見圖6。
圖6 不同流量時(shí)懸柵優(yōu)化方案2池內(nèi)水流流態(tài)
為了避免在不同流量時(shí)躍前斷面水深剛好與懸柵同高或是稍高于懸柵,水流直接擊打到懸柵上,造成水花飛濺,分別以 200 m3/s、400 m3/s、600 m3/s、800 m3/s、1000 m3/s等不同流量對(duì)懸柵消力池方案2的懸柵安裝高度進(jìn)行合理性驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:在各級(jí)流量時(shí)懸柵消力池內(nèi)都可以形成淹沒(méi)水躍,懸柵都處于水面以下,沒(méi)有發(fā)生水流直接拍打懸柵造成水花飛濺的現(xiàn)象。隨著流量的增加,池內(nèi)水深也在不斷增大,懸柵的消能及穩(wěn)定水流的作用逐漸明顯。懸柵的設(shè)置破壞了水躍的結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了池內(nèi)水流混摻、碰撞,解決了梯形墩消力池內(nèi)水面波動(dòng)較大、水流濺出池外的問(wèn)題,可見懸柵對(duì)增強(qiáng)池內(nèi)能量耗散、穩(wěn)定水面效果顯著。
a.新疆迪那河五一水庫(kù)溢洪洞消力池原設(shè)計(jì)方案的消力池深度、邊墻高度等結(jié)構(gòu)尺寸以及梯形墩、T形墩的位置、數(shù)量和尾坎高度等條件不能滿足宣泄洪水的要求,特別是在校核流量時(shí),入池的高速水流直接被底部梯形墩挑射到空中,消力池內(nèi)流態(tài)紊亂,不能形成淹沒(méi)水躍。
b.將懸柵和梯形墩兩種輔助消能工聯(lián)合運(yùn)用組成綜合式消力池,使消力池內(nèi)水面平穩(wěn),波動(dòng)較小,水流流態(tài)得到明顯改善,解決了水流溢出池外、不能形成淹沒(méi)水躍的問(wèn)題,同時(shí)避免了因增大消力池深度、長(zhǎng)度、邊墻高度而導(dǎo)致工程投資增加的問(wèn)題。
c.通過(guò)對(duì)懸柵優(yōu)化方案的比選和懸柵高度的合理性驗(yàn)證,確定了溢洪洞消力池懸柵消能工的最佳方案,在溢洪洞消力池內(nèi)懸柵和梯形墩輔助消能工聯(lián)合運(yùn)用,使消力池池長(zhǎng)由原設(shè)計(jì)方案的83 m縮短至70 m。
[1]韓守都,劉韓生,吳寶琴. 布侖口水電站消力池尾坎位 置模型試驗(yàn)[J]. 水利水電科技進(jìn)展,2012,32( 1) : 62- 64. ( HAN Shoudu,LIU Hansheng,WU Baoqin. Model test on position of end sill of stilling basin of Bulungkol Hydropower Station [J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32( 1) : 62-64. ( in Chinese) )
[2]萬(wàn)繼偉,牛爭(zhēng)鳴,李魯,等.小挑角跌坎加淺水墊消力池水力特性試驗(yàn)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,40(3):300-306.(WAN Jiwei,NIU Zhengming,LI Lu,et al.Experimental study of hydraulic characteristics of small-trajectory angle drop sill combined with stilling basin with shallow-water cushion[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2012,40(3):300-306.(in Chinese))
[3]王勝,李連俠,孫炯,等.多級(jí)連續(xù)消力池水躍的水力特性模型試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(4):23-28.(WANG Sheng,LI Lianxia,SUN Jiong,et al.An experimental study on characteristics of hydraulic jumps in multiple continuous stilling basins[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(4):23-28.(in Chinese))
[4]夏繼紅,嚴(yán)忠民.面向?qū)ο蠹夹g(shù)在消力池優(yōu)化設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,31(5):526-529.(XIA Jihong,YAN Zhongmin.Application of object-oriented technique to stilling basin optimal design expert system[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2003,31(5):526-529.(in Chinese))
[5]孫永娟,孫雙科.高水頭大單寬流量底流消能技術(shù)研究成果綜述[J].水力發(fā)電,2005,31(8):70-72.(SUN Yongjuan,SUN Shuangke.Summary on research results of underflow energy dissipation technology with high head and large unit-width discharge [J].Hydroelectric Engineering,2005,31(8):70-72.(in Chinese))
[6]陸楊,劉煥芳,金瑾,等.T形墩消力池消能率的計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(6):42-45.(LU Yang,LIU Huanfang,JIN Jin,et al.Study on calculation of energy dissipation ratio and optimal design test of stilling basin with T-shape baffle[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(6):42-45.(in Chinese))
[7]尹志剛,左戰(zhàn)軍,劉春友,等.若干拱網(wǎng)消能工與普通消力池工程實(shí)例的經(jīng)濟(jì)分析[J].水利經(jīng)濟(jì),2008,26(2):30-32.(YIN Zhigang,ZUO Zhanjun,LIU Chunyou,et al.Economic analysis of several arch net-floor stilling ponds and ordinary stilling basins[J].Journalof Economics of Water Resources,2008,26(2):30-32.(in Chinese))
[8]何飛,涂興懷.輔助消能工在小型水電工程中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù),2009,45(5):22-23.(HE Fei,TU Xinghuai.The application of auxiliary energy dissipater in small hydropower engineering [J].Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology,2009,45(5):22-23.(in Chinese))
[9]劉沛清,冬俊瑞.消力池及輔助消能工設(shè)計(jì)的探討[J].水利學(xué)報(bào),1996(6):48-56.(LIU Peiqing,DONG Junrui.Study on stilling pool and auxiliary energy dissipater design[J].Journal of Hydraulic Engineering,1996(6):48-56.(in Chinese))
[10]邱秀云,侯杰,王錕.無(wú)壓隧洞洞內(nèi)消能試驗(yàn)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,27(3):62-65.(QIU Xiuyun,HOU Jie,WANG Kun.The experimental research of energy dissipation in free-flow tunnel[J].Journal of Xinjiang Agricultural University,2004,27(3):62-65.(in Chinese))