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        消力池設(shè)計(jì)體型對(duì)消能效果影響分析研究

        2022-12-19 08:38:18曹喜
        東北水利水電 2022年12期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化效果研究

        曹喜

        (新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

        0 引言

        我國(guó)擁有2.8×104億m3的水資源總量,居世界第6,然而由于我國(guó)人口眾多,且水資源分布不均,導(dǎo)致人均河川徑流量不足世界平均水平的1/4,我國(guó)水資源需求與水資源占有量之間的矛盾十分顯著。因此,大力發(fā)展水利事業(yè),合理開發(fā)利用水資源是我國(guó)解決水資源矛盾的必由之路。在水利水電工程中,上游水體進(jìn)行宣泄時(shí),勢(shì)能轉(zhuǎn)化成大量的動(dòng)能,導(dǎo)致下游消力池內(nèi)水流紊動(dòng)劇烈,水流銜接與消能問題是要解決的首要問題,處理不好有可能威脅泄水建筑物本身及下游安全。

        鑒于泄洪過程中消能效果的重要性,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了研究。杜俊慧等依托烏江銀盤水電站開展了泄水建筑物水工模型試驗(yàn)研究,研究分析了電站泄流能力及下游消能形式的選擇,并提出了具體設(shè)計(jì)思路[1];鄧懿等基于寬尾墩消力池開展了泄洪消能模型試驗(yàn)研究,分析了消力池池長(zhǎng)對(duì)池內(nèi)流態(tài)、流速等水力特性指標(biāo)的影響[2];楊敏等基于模型試驗(yàn)研究,分析比較了跌坎消力池與傳統(tǒng)消力池的流速特征,指出跌坎消力池流速信息更加復(fù)雜[3]。本文結(jié)合某工程設(shè)計(jì),對(duì)消力池進(jìn)行物理試驗(yàn)研究,結(jié)合其消能效果,對(duì)消力池體型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

        1 模型試驗(yàn)

        1.1 模型設(shè)計(jì)

        結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)方案,研究采用正態(tài)模型,按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),模型范圍取溢洪道庫區(qū)100.0 m,溢洪道下游至出水渠200.0 m。模型試驗(yàn)比尺λL=40,流速比尺λv=λL0.5=6.325,流量比尺λQ=λL2.5=10 119,糙率比尺λn=λL1/6=1.849。

        1.2 模型制作

        在模型制作過程中,溢洪道上游庫區(qū)采用磚砌筑,并采用水泥砂漿對(duì)邊墻及底部抹面,同時(shí)最外層刷兩層防水涂料防止?jié)B水。物理模型中,上游庫區(qū)前沿長(zhǎng)度為2.5 m,相當(dāng)于原型水庫中溢洪道上游100.0 m范圍。進(jìn)口段、泄槽段、下游消力池邊壁及底板均采用有機(jī)玻璃板制作,板厚10 mm。為保證模型糙率相似,在模型制作過程中,下游尾水段采用混凝土制作。上游進(jìn)水管采用電磁流量計(jì)控制進(jìn)流流量,下游尾水設(shè)有矩形量水堰對(duì)流量進(jìn)行校核。

        2 模型試驗(yàn)與結(jié)果分析

        為充分論證消力池設(shè)計(jì)體型對(duì)消能效果的影響規(guī)律,本文分別選取流量100,300,500 m3/s 進(jìn)行試驗(yàn)。

        2.1 原消力池設(shè)計(jì)方案

        原設(shè)計(jì)方案中,消力池池長(zhǎng)為100.0 m,池深8.0 m,分別結(jié)合不同流量條件開展試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,原設(shè)計(jì)方案消力池在流量Q=100 m3/s 條件下發(fā)生淹沒式水躍銜接,消能率為74%;在Q=300 m3/s 時(shí)則轉(zhuǎn)變成遠(yuǎn)驅(qū)式水躍,但此時(shí)消能效果尚好,消能率為76%;在Q=500 m3/s 時(shí),消力池內(nèi)同樣發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍銜接,如圖1所示,但此時(shí)消力池水面不穩(wěn)定且脈動(dòng)較大,躍首前后移動(dòng),消力池末端及下游尾水渠水面波動(dòng)劇烈,主流不對(duì)稱,消能率僅為48%,說明在Q=500 m3/s 時(shí),原設(shè)計(jì)消力池方案消能效果不能滿足工程要求,為此,需要對(duì)消力池原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

        圖1 Q=500 m3/s 工況下原設(shè)計(jì)方案消力池內(nèi)流態(tài)示意圖

        2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案I

        根據(jù)原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果分析,當(dāng)Q=500 m3/s 時(shí),遠(yuǎn)驅(qū)水躍不穩(wěn)定可能是由消力池池深不足導(dǎo)致,因此,研究中加大消力池池深,進(jìn)而加大淹沒水深,有望改善水躍流態(tài)。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案I 將原消力池設(shè)計(jì)方案的池深調(diào)整為10.0 m,結(jié)合不同流量條件開展試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)結(jié)果表明,在Q=100~300 m3/s 時(shí),消力池內(nèi)水躍較為穩(wěn)定,同時(shí)由于下游淹沒水深增大,致使消力池內(nèi)的消能效果有所提升,消能率為80%左右;對(duì)于流量為Q=500 m3/s 工況時(shí),消力池內(nèi)仍然發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍,盡管水躍形態(tài)較原方案有所改善,如圖2所示,但池內(nèi)水面仍然表現(xiàn)不穩(wěn)定,且出池水流流態(tài)較差,消能效果不能滿足工程設(shè)計(jì)要求,需進(jìn)一步對(duì)體型進(jìn)行優(yōu)化。

        圖2 Q=500 m3/s 工況下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案I 消力池內(nèi)流態(tài)示意圖

        2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Ⅱ

        前期試驗(yàn)結(jié)果表明,通過加大消力池池深,增大淹沒水深可有效改善大流量條件下水躍的穩(wěn)定性,但由于消能不充分,進(jìn)而導(dǎo)致池內(nèi)水流紊動(dòng)劇烈,水面起伏較大,因此,應(yīng)研究進(jìn)一步考慮如何提高消能率。根據(jù)計(jì)算,當(dāng)流量Q=500 m3/s 時(shí),消力池內(nèi)進(jìn)口處斷面傅汝德數(shù)Fr=15.6,此時(shí)若發(fā)生水躍,則為強(qiáng)水躍,躍后水面波動(dòng)較大;根據(jù)底流消能原理,在消力池進(jìn)口處形成淹沒式水躍效果較好,由于泄槽末端水流流速和傅汝德數(shù)較大,要想達(dá)到較好的消能效果,只能加設(shè)消能工來解決。部分研究指出,當(dāng)上游來水流速過高、能量過大時(shí),消力池內(nèi)水躍消能不充分,需要在消力池內(nèi)增加輔助消能工,如消能柵、趾墩、T 型墩、尾坎等來提高消能效果。T 型墩對(duì)消力池內(nèi)水流具有一定的阻擋作用,可以改變消力池內(nèi)水深,使池內(nèi)水躍提前發(fā)生。在T 型墩作用下,消力池內(nèi)水流發(fā)生強(qiáng)烈碰撞,紊動(dòng)劇烈,從而促使消能效果得到提升。劉文華、孫棟芬、江鋒等均對(duì)T 型墩消力池開展了物理模型試驗(yàn)研究,分析了其消能效果[4-6]。

        鑒于前期研究及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),研究提出在消力池內(nèi)增加T 型墩對(duì)消力池進(jìn)行改進(jìn)。T 型墩消力池是在常規(guī)消力池加設(shè)一排消力墩,并與尾坎連成一整體,借助T 型墩及尾坎作用,將消力池內(nèi)水流進(jìn)行分散、撞擊、摻混及分割等,從而在坎前形成強(qiáng)迫水躍,隨后在坎后形成二次漩滾,池內(nèi)水流流態(tài)類似消力戽的水流流態(tài)。與常規(guī)消力池或組合式消力池相比,其消能工體積小,消能率卻較高,還可以縮短消力池長(zhǎng)。同時(shí),該優(yōu)化方案還可兼顧校核洪水流量,能滿足底流消能的基本要求,使水流與下游尾水渠有較好的銜接狀態(tài)。

        根據(jù)國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)研究和工程實(shí)例,研究提出的優(yōu)化方案中,T 型墩在池內(nèi)排列的總寬度(阻水面積)約為池寬的50%,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖3,其各部分結(jié)構(gòu)尺寸比例A∶B∶C∶D∶E=2∶3∶4∶5∶6。圖3中,A為T型墩前墩厚,B為墩高,C為前墩寬,D為尾坎高,E為T 型墩支腿長(zhǎng)。

        圖3 T 型墩設(shè)計(jì)尺寸示意圖

        試驗(yàn)結(jié)果表明,在Q=100~500 m3/s 時(shí),消力池內(nèi)均能發(fā)生穩(wěn)定的淹沒式水躍,池內(nèi)水面波動(dòng)較小,尤其當(dāng)Q=500 m3/s 時(shí),消力池內(nèi)水面穩(wěn)定,消能效果明顯得到提升,消能率由原設(shè)計(jì)方案的48%改善至85%左右,消能效果顯著,如圖4所示。然而,此時(shí)受T 型墩的影響,下游躍后水深明顯增加,達(dá)到11.5 m,超出原設(shè)計(jì)方案的8.0 m,出現(xiàn)水流外溢現(xiàn)象,由此表明,需要對(duì)原設(shè)計(jì)方案消力池邊墻進(jìn)行加高處理。上述試驗(yàn)結(jié)果充分說明在消力池中加設(shè)T 型墩后消能效果的改善是非常明顯的,可以達(dá)到工程設(shè)計(jì)的要求。

        圖4 Q=500 m3/s 工況下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Ⅱ消力池內(nèi)流態(tài)示意圖

        4 結(jié)論

        本文結(jié)合某工程設(shè)計(jì)案例,采用物理模型試驗(yàn)方法對(duì)消力池內(nèi)流態(tài)及消能效果進(jìn)行了分析,提出了消力池優(yōu)化思路,形成如下結(jié)論:傳統(tǒng)底流消力池對(duì)于小流量來流而言,消力池內(nèi)水面穩(wěn)定,消能效果較好,可以滿足工程設(shè)計(jì)要求;加大消力池池深,可有效改善大流量條件下消力池內(nèi)水流流態(tài)及消能效果,但改善效果有限,仍難以滿足工程設(shè)計(jì)需求,需增加輔助消能工;消力池內(nèi)加設(shè)T型墩,可有效滿足不同流量條件下的消能效果需求,極大地改善了消力池內(nèi)水流流態(tài),滿足工程設(shè)計(jì)需求,推薦設(shè)計(jì)采用。

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