某水庫溢洪道消力池消能墩墩型和位置優(yōu)化研究

桂吉順

(九江市科翔水利工程監(jiān)理有限公司，江西 九江 332000)

1 工程背景

某小型水庫建成于20世紀(jì)70年代，是一座以防洪和灌溉為主，兼有其他諸多功能的小(1)型水利工程。水庫的設(shè)計(jì)庫容為532萬m3，興利庫容為235萬m3。工程建成以來，在保證下游防洪安全、提高下游城區(qū)供水安全方面發(fā)揮出重要作用。但是，經(jīng)過多年的運(yùn)行，工程本身的病險(xiǎn)問題也日漸突出，亟待進(jìn)行除險(xiǎn)加固。在除險(xiǎn)加固工程的初始設(shè)計(jì)方案中，溢洪道的總體布置基本保持不變，主要以鋼筋混凝土重新襯砌混凝土底板，拆除重建并加高邊墻。受到工程現(xiàn)場(chǎng)地形和地質(zhì)環(huán)境等因素的影響，消力池的池長(zhǎng)與加固前的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度相同，由于防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，傳統(tǒng)的挖深消力池已經(jīng)不能滿足效能需求，因此需要采用在池內(nèi)設(shè)置消能墩的方式解決[1]?；诖?，此次研究通過室內(nèi)模型試驗(yàn)的方式，探討消能墩的不同墩型和具體的位置對(duì)消力池消能效果的實(shí)際影響，以期為工程設(shè)計(jì)提供建議。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 模型設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備因素，按照重力相似性準(zhǔn)則進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)，確定模型的長(zhǎng)度比尺為1∶50[2]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)和制作要求，確定模型的模擬范圍為溢洪道庫區(qū)150m和溢洪道下游至出水渠海漫段。結(jié)合模型的幾何比尺，換算確定模型的其他水流物理量比尺如下：模型的流速比尺為7.071；模型的流量比尺為17677.67；模型的糙率比尺為1.919。

為了便于觀測(cè)試驗(yàn)過程中水流的實(shí)際流態(tài)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膫?cè)墻均采用厚度為8mm的有機(jī)玻璃制作，制作的誤差控制在0.2mm以內(nèi)。為了保證模型的穩(wěn)固性，溢洪道各段的底板均采用厚度為10mm的PVC塑料板制作。溢洪道的庫區(qū)部位采用水泥磚和水泥砂漿砌筑，外表面利用C30水泥砂漿抹面，最外層涂刷防水層，防止?jié)B水。消力池下游的退水渠利用素混凝土制作，并在其表面粘貼厚度為5mm的有機(jī)玻璃板，以滿足糙率的相似性[3]。消能墩模型利用PVC板制作，利用四氫呋喃調(diào)和PVC粉末黏合。

2.2 試驗(yàn)儀器和方法

試驗(yàn)中所需要的儀器有流速儀、測(cè)針、量水堰、壓力傳感器、畢托管、鋼板尺、測(cè)壓管。利用上述儀器可以準(zhǔn)確測(cè)定試驗(yàn)過程中的水深、流速、壓力等水流特征參數(shù)和數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)中在模型回水渠的末端設(shè)置直角三角形量水堰，測(cè)量過水流量[4]。水躍高度和水深的測(cè)量利用鋼板尺，由于水躍的存在，水流紊動(dòng)十分劇烈，造成水面的浮動(dòng)量相對(duì)較大，因此在測(cè)量過程中需要在測(cè)點(diǎn)部位停留30s，取水面的最高值和最低值確定水面的浮動(dòng)范圍，并取水面在鋼板尺停留2/3時(shí)間部位的數(shù)值作為該部位的水深試驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]。

在流速測(cè)量過程中，直接將畢托管、測(cè)針插入水中的測(cè)點(diǎn)，使測(cè)針頂端的小孔正對(duì)水流方向，連接測(cè)針上部?jī)筛鶞y(cè)壓管的水頭差值即為所測(cè)數(shù)據(jù)，然后可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)部位的流速[6]。在測(cè)量過程中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)定的時(shí)間固定為30s，測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)均需要連續(xù)記錄三次數(shù)據(jù)，以其均值作為最終測(cè)量結(jié)果，以減小試驗(yàn)誤差。

2.3 計(jì)算方案

在消力池中增添消能墩，可以增強(qiáng)水流的紊動(dòng)作用，從而產(chǎn)生小尺度漩渦以達(dá)到消能作用，降低消力池下游水流的流速[7]。顯然，影響消能墩消能效果的主要因素是其體型和位置。結(jié)合該領(lǐng)域的相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和背景工程的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)梯形墩、T形墩和頂角60°墩三種常見的墩型，以及消能墩位于消力池的池首、池中和池尾三種不同位置進(jìn)行比選，以獲取消能墩的最佳設(shè)計(jì)方案[8]。為了減少試驗(yàn)的復(fù)雜程度，在墩型優(yōu)化試驗(yàn)過程中，將消能墩固定在消力池的池首，對(duì)上文提出的三種不同墩型進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳的墩型。然后再固定最佳墩型，進(jìn)行消能墩最佳位置試驗(yàn)。試驗(yàn)中結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，確定60、120、180、240、300m3/s 5種不同的下泄流量，以模擬溢洪道的不同使用工況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 墩型試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1流速

對(duì)不同墩型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)得不同下泄流量條件下躍后斷面、海漫斷面以及水舌頂點(diǎn)3個(gè)關(guān)鍵斷面的流速最大值，結(jié)果見表1。由表中的數(shù)據(jù)可以看出，在海漫斷面和水舌頂點(diǎn)，T形墩的流速最大值相對(duì)較小，具有流速控制方面的明顯優(yōu)勢(shì)。在小流量情況下，梯形墩對(duì)躍后斷面流速的控制作用較好，而在大流量工況下，T形墩最具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于背景工程而言，由于采用的是低水頭溢洪道設(shè)計(jì)，其消能結(jié)構(gòu)的主要作用是針對(duì)大流量泄洪工況設(shè)計(jì)的。由此可見，T形墩為最佳墩型。

3.1.2水躍高度

水躍高度也是評(píng)價(jià)消能結(jié)構(gòu)消能效果的重要指標(biāo)，利用試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，繪制出如圖1所示的不同墩型的水躍高度隨下泄流量的變化曲線。由圖1可以看出，當(dāng)溢洪道的下泄流量較小時(shí)，三種不同墩型的水躍高度比較接近，而隨著下泄流量的不斷增大，三種墩型的水躍高度呈現(xiàn)出比較明顯的差距。其中水躍高度最大的是頂角60°墩，水躍高度最小的為T形墩。由此可見，T形墩有助于控制水躍高度，可以實(shí)現(xiàn)較好的消能效果。

表1 不同墩型關(guān)鍵斷面流速最大值

圖1 不同墩型的水躍高度變化曲線

3.1.3綜合能量損失系數(shù)

利用試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同墩型、不同下泄流量條件下的綜合能量損失系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在不同的下泄流量條件下，T形墩的綜合能量損失系數(shù)最大，這說明采用T形墩可以獲得更好的消能效果，為最佳墩型。

綜合流速、水躍高度和綜合能量損失系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，T形墩的消能效果最為顯著，為最佳墩型，推薦在工程設(shè)計(jì)中采用。

圖2 不同墩型的綜合能量損失系數(shù)變化曲線

3.2 不同消能墩位置試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1流速

鑒于T形墩為最佳墩型，試驗(yàn)中保持該墩型不變，對(duì)池首、池中和池尾三種不同的消能墩位置方案下，躍后斷面、海漫斷面以及水舌頂點(diǎn)3個(gè)關(guān)鍵斷面的流速進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表2。由表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)消能墩位于池尾時(shí)，各個(gè)關(guān)鍵斷面的流速最大值最小。由此可見，當(dāng)T形消能墩位于池尾時(shí)，消能結(jié)構(gòu)的整體消能效果最好。

表2 不同消能墩位置流速最大值

3.2.2水躍高度

對(duì)不同T形墩位置方案下的水躍高度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，繪制出如圖3所示的水躍高度隨下泄流量的變化曲線。由圖3可以看出，不同消能墩位置方案的水躍高度比較接近，雖然池中方案的水躍高度相對(duì)偏大，但是沒有較為明顯的差距。由此可見，消能墩位置對(duì)水躍高度的影響不大，沒有明顯的優(yōu)勢(shì)方案。

圖3 不同消能墩位置水躍高度

3.3 綜合能量損失系數(shù)

利用試驗(yàn)中獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同T形消能墩位置下的綜合能量損失系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，當(dāng)消能墩位于池尾時(shí)，綜合能量損失系數(shù)最大，可以獲得最佳消能效果。

綜合流速、水躍高度和綜合能量損失系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，將T形墩墩型設(shè)置在池尾，可以獲得更好的消能效果，為最佳消能墩位置設(shè)計(jì)方案。

圖4 不同消能墩位置綜合能量損失系數(shù)變化曲線

4 結(jié)論

泄水建筑物的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)保證水利工程的安全運(yùn)行具有十分重要意義和作用。此次研究以具體工程為背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式探討和分析了消能墩墩型和位置對(duì)消能效果的影響。結(jié)果顯示，將T形消能墩設(shè)置在池尾時(shí)可以獲得最佳消能效果。研究成果不僅可以為背景工程的設(shè)計(jì)施工提供支持，還可以為相關(guān)類似工程設(shè)計(jì)研究提供有益的借鑒。當(dāng)然，目前關(guān)于消能墩的研究還不是很完善，且水工模型與實(shí)際工程也存在明顯的差異。因此，此次研究的結(jié)果仍需要工程實(shí)踐進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。