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。

1 工程概況

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)

2 模型設(shè)計(jì)

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。

3 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

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)

4 修改方案試驗(yàn)

4．1 修改方案

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。

4．2 修改方案流態(tài)觀測(cè)

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。

5 懸柵優(yōu)化方案試驗(yàn)

5．1 懸柵優(yōu)化方案1

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)

5．2 懸柵優(yōu)化方案2

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。

5．3 懸柵高度的合理性驗(yàn)證

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。

6 結(jié)論

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。

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