大巖子水庫消力池試驗優化設計研究

白麗娟

大巖子水庫消力池試驗優化設計研究

白麗娟

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

大巖子水庫消力池體型物理模型試驗發現其長度和高度無法滿足運行要求，對消力池體型進行了模型試驗研究，經4次模型修改實驗，結果認為，消力池長度50 m，尾坎高度6 m，可滿足校核和設計工況下消能和水面線要求，說明調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；數值模擬；分析研究

溢洪道、導流洞、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，如末端無消能設施，高速水流會對下游河床產生淘刷。甚至造成建筑物失穩破壞，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]。設計經驗發現，消力池投資往往占到泄水建筑物總投資的1/3，因此，消力池體型設計的合理性，直接關系到工程的投資，體型過大，工程投資高，造成浪費，體型小，結構不安全，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行實測驗證，保證結構安全的基礎上又節省工程投資。

1 工程概況

大巖子水庫位于新疆維吾爾自治區托克遜縣境內，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，設閘門控制。溢洪道包括進水渠、控制段、泄槽和消能防沖設施四部分組成，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 試驗模型設計與制作

模型按重力相似準則設計，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。模型的制作是根據設計院提供的總體平面布置圖進行模型設計。模型制作范圍為：上游庫區長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 原設計方案試驗

原方案對溢洪道的泄流能力、流態、水深、流速及壓強等進行了試驗，試驗表明，原設計方案通過調整進口導墻體型，改善進口水流流態，使水流更加流暢，能達到下泄流量的目的。溢洪道水面線較平穩，無折沖水流出現，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，由于水流進入消力池沒有沿渠底板通過底流流態進入，而是以射流流態進入消力池，此時消力池已經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，因此應對消力池進行加長和邊墻加高，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，應對其進行調整。

3.2 消力池體型修改

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

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入消力池后，能夠有足夠的距離讓水流在消力池內發生能量交換，從而達到充分消能的目的，尾坎高度保持4.8 m不變。

通過對校核洪水位和設計洪水位兩工況的試驗，消力池依然不能適應兩工況的消能要求，說明水流進入消力池流速過大，單獨采用加長消力池的方法是不能解決消能問題，還應該采用增加消力池深度措施，以增加水流淹沒深度，從而達到充分消能的目的。

3.2.2 修改二試驗

由于水流在修改一消力池體型內的淹沒深度不夠，水躍躍首遠趨，因此試驗修改二將消力池體型消力池尾坎調整抬高到8 m，池長60 m依然保持不變。從流態看，校核洪水位基本形成了底流消能水流流態，但由于消力池下游出口水位低，尾水渠流態不是特別理想。設計洪水位運行工況，消力池流態完全形成較為穩定的水流流態，并且從試驗觀察的流態看，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行進一步的優化，以找到更優的體型。

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。從流態看，在校核洪水位時，水躍全部位于消力池內，由于水流波動強烈，沒有形成穩定的底流消能水流流態，但也沒有出現遠趨射流流態。對設計洪水位來說，可以形成底流消能流態，水流到達消力池末端基本穩定，如果依照設計洪水位作為消力池體型的判斷標準，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上，又進行了修改四的體型優化試驗，修改四是將消力池尾坎調整到6 m，消力池長度50 m不變。目的是要找到能確保設計洪水位，下泄水流能完全形成底流消能水流流態的最小消力池體型。

4 試驗結果分析

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果的分析，決定采用上述修改四方案作為設計采用體型，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變為0+268.23，向下游移動3.6 m。

消力池的體型通過以上試驗已經確定了推薦體型，但對于消力池進口上游的1∶3陡坡段來說，水流在1∶3陡坡上游存在脫離渠底現象，在測驗數據上表現為該段壓強分布存在負壓強。其原因是水流沿輸水渠道向下游流動，到達陡坡時，渠底突然向下轉折，而水流由于慣性作用，尚不能完全和陡坡底板吻合，故產生脫壁而引起負壓[4]。對校核洪水位和設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，校核工況其負壓區范圍約在1∶3陡坡起點0+214.63～0+219.81區間，模型實測最大壓強為C1測壓管位置-1.73×9.8 kPa；設計工況負壓區范圍要比校核略小，模型實測最大壓強為依然為C1測壓管位置-0.17×9.8 kPa。按照水力學的要求，水流沿溢洪道下泄時，應盡量避免出現負壓，從而提高泄水建筑物的抗空化能力。故試驗對該區段也進行體型優化，使溢洪道體型更趨合理。

參考以往已經完成的模型試驗資料[5-6]，結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，其水流流態明顯順暢，達到修改的目的。通過實測拋物線段的沿程壓強分布，也沒有出現負壓強，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，試驗觀測發現，修改后的消力池流態穩定，邊墻高度滿足要求，池內無負壓產生。物理模型試驗發現了設計中不足，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合的真實情況，驗證泄流能力，觀察水面流態，實測面部壓強等，給設計提供有利參考，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化研究[J].水利學報,2005,10:1188-1193.

[2]韓守都,劉韓生,吳寶琴.布侖口水電站消力池尾坎位置模型試驗[J].水利水電科技進展,2012,01:62-64.

[3]劉璐,張建民,余飛,張法星.重力壩下游寬尾墩和消力池聯合消能工水力特性試驗研究[J].水力發電學報,2012,02:49-55.

[4]胡小禹,張建民,余飛,張祖新.消力池漸變段體型對消能效果的影響[J].水電能源科學,2012,11:85-87.

[5]褥勇伸,廖華勝,李連俠,陳書燕,李天翔.淺水墊消力池的數值模擬與實驗研究[J].水力發電學報,2010,02:36-41+126.

[6]高鵬,楊永全,鄧軍,張建民.多孔淹沒出流消力池復雜流態分析[J].四川大學學報(工程科學版),2006,05:70-75.

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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計研究等工作。