趙德亮， 朱　萍

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院， 烏魯木齊　830000;

2.國電大渡河新能源投資有限公司， 成都　610041)

寬尾墩對跌坎底流消力池影響的試驗研究

趙德亮， 朱萍

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院， 烏魯木齊830000;

2.國電大渡河新能源投資有限公司， 成都610041)

【摘要】針對低水頭、大單寬流量、下游水位變幅大的水電站中的泄洪消能問題，本文結(jié)合官地水電站工程進行了水工模型試驗研究，從消力池的水流流態(tài)、臨底流速以及底板時均動水壓強對比幾方面，分析了寬尾墩對跌坎底流消力池的影響。結(jié)果表明，寬尾墩改善了消力池內(nèi)的水流流態(tài)，降低了消力池內(nèi)的臨底流速和時均壓強，充分利用了寬尾墩技術(shù)優(yōu)勢，提高了泄洪設(shè)施的總消能率，有效解決了下游水位變幅較大的水電工程類泄洪消能問題。

【關(guān)鍵詞】寬尾墩； 平尾墩； 跌坎底流消力池； 試驗研究

國內(nèi)外采用底流消能的水電站中，因消力池水流形態(tài)不好、流速過高所引起的底板失穩(wěn)破壞的事例屢見不鮮，其遭受破壞的原因多與消力池的臨底水力學(xué)指標有關(guān)。此類工程大都具有中高水頭、大單寬流量等特點[1]。許多研究表明，采用跌坎底流消能能顯著改善消力池的水力學(xué)指標[2]，但對于下游水位變幅較大的水電站，卻又出現(xiàn)了難以控制消力池內(nèi)水流流態(tài)的問題。我國學(xué)者在20世紀70年代提出的寬尾墩聯(lián)合消能工[3-4]，在一定程度上解決了這一問題，并在巖灘、潘家口、水布埡等多個大中型工程中得到應(yīng)用[5]。本文以官地水電站為研究對象，通過模型試驗，分別對寬尾墩和平尾墩與跌坎底流消力池聯(lián)合消能的水力特性進行了測試分析，發(fā)現(xiàn)寬尾墩聯(lián)合消能工可以明顯提高跌坎底流消力池的消能率，改善水流流態(tài)，縮短消力池的長度，且能很好地適應(yīng)下游水位的變化。

1工程簡介及模型試驗

官地水電站為碾壓混凝土重力壩，電站正常蓄水位 1330.00m，總裝機容量2400MW，總庫容7.6億m3，多年平均發(fā)電量118.7億kW·h。最大壩高168m，壩頂全長約529m；溢流壩段布置于河床中部，由5個溢流表孔壩段和2個中孔壩段組成，表孔采用了寬尾墩消能工，每孔凈寬15m，寬尾墩采用中間3孔對稱Y形，兩側(cè)邊孔不對稱V形的布置型式。兩個中孔壩段分別布置于溢流壩段兩側(cè)，孔口尺寸5m×8m(寬×高)，出口采用挑流鼻坎的形式把水流從側(cè)向挑入消力池，溢流壩的下游接跌坎底流消力池。溢流壩和消力池的布置如圖1所示。

圖1　溢流壩和消力池布置

按重力相似準則要求，建立了幾何比尺為1∶80的正態(tài)模型。模擬總長度為2450m，其中上游水庫范圍為壩軸線以上約1000 m，下游河道范圍為壩軸線以下約1450 m，模型全長約30.625m。樞紐建筑物全部采用有機玻璃制作，河床用水泥砂漿抹面制作，開挖與人工砌護部分用水泥凈漿抹面。試驗工況如表1所示。

表1　試驗工況

2試驗結(jié)果及分析

2.1流態(tài)及臨底流速

模型試驗對校核洪水、設(shè)計洪水、消能防沖洪水共3個典型工況下的平尾墩+跌坎消力池及寬尾墩+跌坎消力池內(nèi)中心線上各特征斷面的臨底流速進行了測量，如表2所示。

表2　消力池臨底流速

采用平尾墩+跌坎底流消能時，下泄的水流主體沒能在消力池充分消能即躍過消力池，出尾坎后的水流流速很大，形成一順時針的旋滾，并產(chǎn)生二次水躍，下游河道水面波動較大。在表孔上采用寬尾墩后，水流經(jīng)寬尾墩收縮，沿縱向拉伸，沿橫向擴散，最后跌入消力池內(nèi)及溢流壩的反弧段上，消力池中的水流在水流方向、水深方向及橫向產(chǎn)生劇烈的混摻和紊動剪切，水體表面會形成淹沒型的水躍，水面平穩(wěn)。池內(nèi)的水流是沖擊射流和水躍的混合流態(tài)，不僅具有一個逆時針的大旋滾，還有其他軸向的旋滾，具有三維特性。

由表2可知，對于跌坎底流消力池，工況1時，消力池內(nèi)最大臨底流速為 21.57m/s；工況2時，最大臨底流速為 20.23m/s；工況3時，最大臨底流速仍有 17.33m/s。而增加寬尾墩后的實測結(jié)果表明，臨底流速明顯減小，消力池最大臨底流速分別約為 15.74m/s，14.81m/s和12.42m/s，都控制在20m/s內(nèi)。

這兩個方案的最大臨底流速都出現(xiàn)在消力池的前部，增加寬尾墩后，消力池內(nèi)臨底流速均明顯降低，且顯著改善了沒加寬尾墩時水流經(jīng)反弧后進入消力池的水流潛底現(xiàn)象，形成了比較穩(wěn)定的流態(tài)，消能更加充分，底板受到的沖刷力也降低，消力池的安全得到有效保證。

2.2時均動水壓強分布

圖2為三個工況下的平尾墩+跌坎消力池及寬尾墩+跌坎消力池內(nèi)中心線上沿程的時均動水壓強分布對比圖。

圖2　消力池中心線上時均動水壓強

試驗結(jié)果表明，無論是平尾墩還是寬尾墩，消力池的前部都有壓力驟升現(xiàn)象，區(qū)別在于寬尾墩時，壓力增大的程度要小很多，且時均壓力值變化要平緩一些。這是因為沒有寬尾墩時，水流經(jīng)過跌坎后會迅速潛底，沖擊消力池底板，并推動周圍水體，在跌坎與沖擊點之間形成旋滾，增大了壓力梯度，使得沖擊壓力較大。而增加寬尾墩后，雖然水舌是以挑流方式進入消力池內(nèi)的，但是下游水位較高，形成很深的水墊，底板的沖擊壓力不大。另外發(fā)現(xiàn)，在平尾墩時，在消力池的尾坎處會有突然升高的翹尾巴現(xiàn)象，相比寬尾墩時高出約10×9.8kPa，分析其原因是由于在平尾墩的情況下，消力池內(nèi)的消能不夠充分，水流以較大的速度沖擊尾坎，尾坎前后的動水壓強相差懸殊，坎上將承受較大的水平推力，而采用寬尾墩后，池內(nèi)消能比較充分，出池時水流平穩(wěn)。

2.3總消能率

建立上游庫區(qū)和尾坎上游消力池底板末端斷面間的能量方程，以消力池底板作為基準斷面，試驗中測出尾坎上游斷面的水位和平均流速，可通過下式計算出總的消能率，計算結(jié)果見表3。

(1)

可以看出，寬尾墩的消能率遠遠大于平尾墩。這主要是由于水流受寬尾墩的上部斜面和下部收縮影響，形成縱向拉伸的水舌，并在寬尾墩出口到進入消力池的過程中沿橫向擴散，在空中大量摻氣，且落入消力池內(nèi)后，產(chǎn)生強烈的多軸向旋滾，水流間摻混、沖撞、紊動剪切，旋滾區(qū)大量摻氣，形成三元水躍，故消能效率顯著提高。

3結(jié)語

a.寬尾墩+跌坎底流消力池的聯(lián)合消能方式非常適用于中高水頭、下游水位變幅較大的水電站，是一種很有應(yīng)用前途的消能工。

b.在表孔末端加寬尾墩后，水流經(jīng)過縱向拉伸和橫向擴散后，在消力池內(nèi)形成三維軸向旋滾，強烈混摻，大量摻氣，消能效率較常用的平尾墩顯著提高，且不會影響過流能力。

c.采用寬尾墩后，能很好地改善消力池中流態(tài)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，降低消力池內(nèi)臨底流速以及時均動水壓強。

d.雖然寬尾墩的消能率較高，但也存在缺點，如：出射水流跌落在消力池底板上，有可能造成底板破壞等，尚有待進一步全面深入地研究。

參考文獻

[1]王海云,戴光清,楊慶,尹楊松.低水頭、大單寬流量泄洪消能方式研究[J].水力發(fā)電,2006(8): 25-261.

[2]王海軍，趙偉，楊紅宣，等.跌坎型底流消能工水力特性的試驗研究[J].水利水電科技，2007(10)：39.

[3]肖興斌. 寬尾墩在高壩消能中的研究與新發(fā)展綜述[J].水電工程研究，2001(2).

[4]謝省宗,李世琴,李桂芬. 寬尾墩聯(lián)合消能工在我國的發(fā)展[J].紅水河,1995(14):3 -11.

[5]謝省宗,林秉南.寬尾墩消力池聯(lián)合消能工的消能機理及其水力計算方法[J].水力發(fā)電,1991(1):50-531.

中圖分類號：TV135.2

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)02-0031-04

Experimental Study on Influence of Flaring Pier on Step-down Floor
Underflow Stilling Pool

ZHAO De-liang， ZHU Ping

(1.XinjiangHydroandPowerSurveyDesignInstitute,Urumqi830000,China;

2.ChinaGuodianDaduRiverHydropowerDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610041,China)

Abstract：In the paper, Guandi hydropower station project is combined for carrying out experimental study of hydraulic model aiming at flood discharge and energy dissipation problems in hydropower station with the characteristics of low water head, large discharge unit width and great change in downstream water level. Influence of flaring pier on step-down floor underflow stilling pool is analyzed from several aspects of stilling pool water flow pattern, flow velocity close to the floor and time average dynamic water pressure comparison. The result shows that water flow pattern in stilling pool is improved by flaring pier, flow velocity close to the floor and time average pressure in stilling pool are lowered, technical advantages of flaring pier are fully utilized, overall energy dissipation rate of flood discharge facilities is improved, and flood discharge and energy dissipation problems of hydropower projects with larger downstream water level changes are effectively solved.

Keywords：flaring pier; even tail pier; step-down floor underflow stilling pool; experimental study