白麗娟

大巖子水庫消力池試驗優(yōu)化設(shè)計研究

白麗娟

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000）

大巖子水庫消力池體型物理模型試驗發(fā)現(xiàn)其長度和高度無法滿足運行要求，對消力池體型進(jìn)行了模型試驗研究，經(jīng)4次模型修改實驗，結(jié)果認(rèn)為，消力池長度50 m，尾坎高度6 m，可滿足校核和設(shè)計工況下消能和水面線要求，說明調(diào)整后的溢洪道體型合理，為類似工程提供借鑒。

消力池；模型試驗；數(shù)值模擬；分析研究

溢洪道、導(dǎo)流洞、泄洪洞等泄水建筑物是水利工程樞紐中的重要組成部分。在高水頭、高壓力作用下，其水體通常是高速水流，如末端無消能設(shè)施，高速水流會對下游河床產(chǎn)生淘刷。甚至造成建筑物失穩(wěn)破壞，因此，在泄水建筑物末端通常修建消力池，以耗散沖入下游的水體能量[1]。設(shè)計經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，消力池投資往往占到泄水建筑物總投資的1/3，因此，消力池體型設(shè)計的合理性，直接關(guān)系到工程的投資，體型過大，工程投資高，造成浪費，體型小，結(jié)構(gòu)不安全，消能不充分[2]。因此通常采用水工模型試驗可以來對其體型進(jìn)行實測驗證，保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上又節(jié)省工程投資。

1 工程概況

大巖子水庫位于新疆維吾爾自治區(qū)托克遜縣境內(nèi)，是三塘溝河及托克遜縣“兩河”流域的重要控制性工程，距烏魯木齊市239 km。溢洪道采用直線布置，堰軸線與大壩軸線夾角為132.58°，為開敞式正槽岸邊溢洪道，設(shè)閘門控制。溢洪道包括進(jìn)水渠、控制段、泄槽和消能防沖設(shè)施四部分組成，總長298.3 m。控制段溢流堰利用3扇8m×5.5 m（寬×高）的弧型閘門控制，控制段后40 m為漸變段，漸變段后等寬20 m，泄槽采用矩形斷面，縱坡25.9%，消能防沖設(shè)施采用底流消能。輸水段末端接消力池，消力池長度為30.0 m，深度為4.8 m。消力池后接海漫，長度為20.0 m，其中水平段長10.0 m，緩坡段長10.0 m，坡度i= 0.1。海漫末端處用拋石進(jìn)行回填。消力池段邊墻高10.0 m，海漫段邊墻高6.0 m。

2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制作

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，采用比尺Lr＝60；流量比尺Qr= Lr5/2=27885.5；流速比尺Vr=Lr1/2=7.746；時間比尺Tr=Lr1/2=7.746；糙率比尺Nr=Lr1/6=1.979。模型的制作是根據(jù)設(shè)計院提供的總體平面布置圖進(jìn)行模型設(shè)計。模型制作范圍為：上游庫區(qū)長300 m，寬度186 m；下游河道從消力池向下游長約320 m，寬度120 m。模型整體布置見圖1。

圖1 模型整體布置圖

3 模型試驗

3.1 原設(shè)計方案試驗

原方案對溢洪道的泄流能力、流態(tài)、水深、流速及壓強等進(jìn)行了試驗，試驗表明，原設(shè)計方案通過調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)墻體型，改善進(jìn)口水流流態(tài)，使水流更加流暢，能達(dá)到下泄流量的目的。溢洪道水面線較平穩(wěn)，無折沖水流出現(xiàn)，邊墻高度余幅較大。通過增加摻氣槽，從第4級臺階水流摻氣充分，臺階水流呈乳白色，摻氣效果較好。

對消力池來說，由于水流進(jìn)入消力池沒有沿渠底板通過底流流態(tài)進(jìn)入，而是以射流流態(tài)進(jìn)入消力池，此時消力池已經(jīng)成為一個消能水墊塘[3]，并且水墊塘的邊墻高度不能滿足消能水深要求，消能不充分，因此應(yīng)對消力池進(jìn)行加長和邊墻加高，由于消力池消能不充分，出口渠道長度不足，故消力池出口水流對下游河道的沖刷范圍必然較大，應(yīng)對其進(jìn)行調(diào)整。

3.2 消力池體型修改

新設(shè)計消力池體型的長度和深度都需要調(diào)整。表現(xiàn)為沒有形成底流消能流態(tài)，水流在消力池尾坎處形成挑射水流流態(tài)，說明水流沒有從急流流態(tài)完全過渡到緩流流態(tài)，故該消力池體型不適應(yīng)校核工況，需要調(diào)整體型。

3.2.1 修改一試驗

修改一采用將消力池長度從40 m加長到60 m，消力池深度保持不變，修改的目的是為了讓水流進(jìn)入消力池后，能夠有足夠的距離讓水流在消力池內(nèi)發(fā)生能量交換，從而達(dá)到充分消能的目的，尾坎高度保持4.8 m不變。

通過對校核洪水位和設(shè)計洪水位兩工況的試驗，消力池依然不能適應(yīng)兩工況的消能要求，說明水流進(jìn)入消力池流速過大，單獨采用加長消力池的方法是不能解決消能問題，還應(yīng)該采用增加消力池深度措施，以增加水流淹沒深度，從而達(dá)到充分消能的目的。

3.2.2 修改二試驗

由于水流在修改一消力池體型內(nèi)的淹沒深度不夠，水躍躍首遠(yuǎn)趨，因此試驗修改二將消力池體型消力池尾坎調(diào)整抬高到8 m，池長60 m依然保持不變。從流態(tài)看，校核洪水位基本形成了底流消能水流流態(tài)，但由于消力池下游出口水位低，尾水渠流態(tài)不是特別理想。設(shè)計洪水位運行工況，消力池流態(tài)完全形成較為穩(wěn)定的水流流態(tài)，并且從試驗觀察的流態(tài)看，該工況的消力池還有縮短的空間。因此，試驗對消力池體型再進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以找到更優(yōu)的體型。

3.2.3 修改三試驗

修改三是將消力池尾坎保持8 m不變，消力池長度縮短到50 m，以驗證該體型能否滿足設(shè)計洪水位的消能要求，同時也判斷校核洪水位的消力池水流流態(tài)。從流態(tài)看，在校核洪水位時，水躍全部位于消力池內(nèi)，由于水流波動強烈，沒有形成穩(wěn)定的底流消能水流流態(tài)，但也沒有出現(xiàn)遠(yuǎn)趨射流流態(tài)。對設(shè)計洪水位來說，可以形成底流消能流態(tài)，水流到達(dá)消力池末端基本穩(wěn)定，如果依照設(shè)計洪水位作為消力池體型的判斷標(biāo)準(zhǔn)，該體型可以作為推薦體型。

3.2.4 修改四試驗

為了盡量的減小工程量，降低工程造價，試驗在修改三的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了修改四的體型優(yōu)化試驗，修改四是將消力池尾坎調(diào)整到6 m，消力池長度50 m不變。目的是要找到能確保設(shè)計洪水位，下泄水流能完全形成底流消能水流流態(tài)的最小消力池體型。

4 試驗結(jié)果分析

修改一采用將消力池長度從40 m加長到60 m，消力池深度保持不變，尾坎高度保持4.8 m不變。修改二將消力池體型消力池尾坎調(diào)整抬高到8 m，池長60 m依然保持不變。修改三是將消力池尾坎保持8 m不變，消力池長度縮短到50 m，修改四是將消力池尾坎調(diào)整到6 m，消力池長度50 m不變。各個體型消力池尾坎處的水面最大深度匯總見表1。

通過對新方案試驗結(jié)果的分析，決定采用上述修改四方案作為設(shè)計采用體型，即消力池尾坎高6 m，消力池長度50 m，消力池底板從原來的857.38 m高程降低到856.18 m高程，消力池起點樁號由0+264.63變?yōu)?+268.23，向下游移動3.6 m。

消力池的體型通過以上試驗已經(jīng)確定了推薦體型，但對于消力池進(jìn)口上游的1∶3陡坡段來說，水流在1∶3陡坡上游存在脫離渠底現(xiàn)象，在測驗數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為該段壓強分布存在負(fù)壓強。其原因是水流沿輸水渠道向下游流動，到達(dá)陡坡時，渠底突然向下轉(zhuǎn)折，而水流由于慣性作用，尚不能完全和陡坡底板吻合，故產(chǎn)生脫壁而引起負(fù)壓[4]。對校核洪水位和設(shè)計洪水位兩工況來說，試驗測得的陡坡段沿程壓強見表2。

表1 新設(shè)計方案各個修改體型消力池尾坎處最大水深匯總表

表2 消力池降低1.2m方案1∶3陡坡段各工況沿程壓強匯總表

圖2 消力池推薦體型試驗

表3 修改1∶3陡坡連接為拋物線后的沿程壓強分布表

從表2可以看出，校核工況其負(fù)壓區(qū)范圍約在1∶3陡坡起點0+214.63～0+219.81區(qū)間，模型實測最大壓強為C1測壓管位置-1.73×9.8 kPa；設(shè)計工況負(fù)壓區(qū)范圍要比校核略小，模型實測最大壓強為依然為C1測壓管位置-0.17×9.8 kPa。按照水力學(xué)的要求，水流沿溢洪道下泄時，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)負(fù)壓，從而提高泄水建筑物的抗空化能力。故試驗對該區(qū)段也進(jìn)行體型優(yōu)化，使溢洪道體型更趨合理。

參考以往已經(jīng)完成的模型試驗資料[5-6]，結(jié)合本工程的具體特點，在保持輸水渠道和1∶3陡坡位置不變，只對過渡段采用拋物線體型將輸水渠道和1∶3陡坡進(jìn)行連接，模型試驗拋物線采用Y=0.00541566X2方程。

通過對該拋物線修改體型的試驗觀察，其水流流態(tài)明顯順暢，達(dá)到修改的目的。通過實測拋物線段的沿程壓強分布，也沒有出現(xiàn)負(fù)壓強，證明修改后的體型比修改前更加合理，滿足工程泄流要求，校核洪水位和設(shè)計洪水位的沿程壓強實測資料見表3。最終推薦方案消力池體型見圖2。

5 結(jié)語

通過4次模型試驗的修改，確定了消力池的長度和尾坎高度，試驗觀測發(fā)現(xiàn)，修改后的消力池流態(tài)穩(wěn)定，邊墻高度滿足要求，池內(nèi)無負(fù)壓產(chǎn)生。物理模型試驗發(fā)現(xiàn)了設(shè)計中不足，并提出修改意見，驗證了消力池體型的合理性，為建筑物安全運行提供保障。

泄水建筑物的水工模型試驗是驗證泄水建筑物體型的最有效的措施，通過物流模型試驗，可模擬建筑物與地形結(jié)合的真實情況，驗證泄流能力，觀察水面流態(tài)，實測面部壓強等，給設(shè)計提供有利參考，保證泄水建筑物甚至壩體安全。

[1]孫雙科,柳海濤,夏慶福,王曉松.跌坎型底流消力池的水力特性與優(yōu)化研究[J].水利學(xué)報,2005,10:1188-1193.

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1673-9000（2017）02-0115-02

2016-12-10

白麗娟（1983-）,女，新疆哈密市人，工程師，主要從事水利水電工程勘測設(shè)計研究等工作。