非對稱消力池水力特性的試驗研究

(大唐四川發電有限公司，四川 成都 610091)

非對稱消力池水力特性的試驗研究

尹楊松

(大唐四川發電有限公司，四川 成都 610091)

泄水建筑物下泄水流入水軸線與消力池軸線的布置形式對池內水流特性和消能率等影響的相關研究甚少。以石梁子水庫的消力池為對象，采用水工模型試驗對比研究對稱和非對稱消力池的水流特性和消能率。研究結果表明：非對稱布置的消力池內，水流在單側邊界附近形成劇烈的回旋，單側邊墻的流速明顯大于另一側，易被沖擊破壞，尾坎處也有明顯二次跌流現象；對稱體型的兩側邊墻附近具有對稱小渦旋，強度和范圍較小，靠近邊墻的流速較小，尾坎水流與下游銜接平順，其水流特性優于非對稱體型，且兩種體型下的消能率相當。

非對稱；消力池；水力特性；消能率；物理模型

1 引 言

消力池使泄水建筑物下泄急流迅速變為緩流，是底流式水躍消能設施。在下泄急流進入消力池時，水流入水的縱向中心軸線常常與消力池的中心軸線位于同一平面內，從而讓水流能夠以對稱形式在消力池內發展。許多學者研究了下泄急流在消力池內以對稱形式發展的水力特性，并提出了反弧型、跌坎型和微挑型等體型。針對這些體型，張功育等[1]通過模型試驗對比了常規底流消力池和跌坎式消力池間的水流流動狀態、臨底流速和底板脈動壓強。孫雙科等[2]以向家壩水電站為例，進一步研究了跌坎式消力池的不同跌坎高度對水力特性的影響,表明連續跌坎有利于降低消力池的臨底流速。程飛等[3]采用數值模擬和模型試驗對微挑消力池的水力特性進行了研究，揭示了微挑和常規反弧平底消力池間的不同之處。但是，下泄水流入水軸線和消力池不處于同一平面時，入水水流將以非對稱形式在消力池內運動，水流特性和消能率的相關研究甚少。

石梁子水庫溢流壩反弧段的下泄水流進入消力池后，以非對稱的水流在池內運動。結合該水庫消力池軸線與下泄水流軸線布置的相對位置，通過物理模型試驗研究對稱和非對稱體型下消力池內的水流流態、流速分布和消能率等。

2 模型試驗

2.1 試驗模型

石梁子水庫以環境供水和防洪為主，兼顧旅游和發電及縣城飲用備用水源。水庫大壩采用碾壓混凝土重力壩，左岸擋水壩段由壩坡直立面和斜坡面構成，放空(兼沖沙底孔)建筑物和生態取水建筑物布置在溢流壩段右側的非溢流壩段內，溢流表孔布置在大壩中部，溢流堰堰面曲線為WES曲線，堰下游與斜坡段相接，其后通過反弧段與消力池銜接。圖1為模型整體平面圖和消力池縱剖面圖。

圖1 模型整體圖和消力池縱剖面

物理試驗模型為正態模型，按重力相似、幾何相似、運動相似準則制作，比尺為1∶50[4]。水工試驗模型包括部分庫區、表孔溢流壩、消力池及放空兼沖沙底孔、生態放水壓力管道、下游河床和量堰等。溢流壩表孔、消力池及放空孔采用有機玻璃制作，模型糙率為0.008～0.0085。

采用旋漿式流速儀測量流速，測壓管測量時均壓強，矩形薄壁量堰對來流流量進行控制和測量，測針分別測量水庫水位和矩形薄壁堰堰上水頭。流量的計算采用雷伯克Rehbock公式[5]：

(2)

式中m——綜合流量系數；

p——上游堰高；

B——矩形量堰寬度；

H——堰上水頭。

2.2 試驗方案

為了研究反弧段與消力池兩者相互位置對消力池內水力特性的影響，擬定非對稱和對稱布置體型進行試驗，體型示意如圖2所示。結合水庫的正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位等，確定的試驗工況見表1。

圖2 試驗體型示意圖

工 況校核工況設計工況消能防沖工況入庫流量/(m3/s)137007460515出庫流量/(m3/s)83504360325水庫水位/m6485364556閘門開啟方式表孔閘門全開啟

3 試驗結果與分析

由于同一體型在不同試驗工況下的水力特性具有相似性，根據設計水位下水力學要素的試驗結果討論分析不同體型對消力池內流態、流速及消能率等的影響。

3.1 水流流態

消力池與溢流表孔的非對稱布置體型1內的水流在消力池右側形成漩渦，回漩劇烈，尾坎處有明顯的跌流現象，如圖3(a)所示。當消力池右邊墻移至沖沙孔軸線4m處構成非對稱體型2后，消力池內的漩渦范圍減小，有效消能體積增加，消能效果和出流流態較非對稱體型1有一定改善，但仍會形成一個漩渦，出流流態不穩，而且尾坎水流的跌流現象明顯、流速較大，如圖3(b) 所示。在非對稱體型1的基礎上，將左邊墻移動形成對稱體型后，消力池前半段水流紊動劇烈，受消力池對稱擴散影響，消力池的左右兩側形成兩個小漩渦，漩渦強度和范圍較非對稱體型1明顯減小。消力池后半段是躍后水流的調整段，水面較前半段平穩，尾坎水流與下游連接較為平順，如圖3(c)所示。

圖3 消力池水流流態

3.2 流速分布

非對稱體型1和2的消力池在躍首位置處最大臨底流速(該流速也是入池后的最大臨底流速)達到16.21m/s和17.25m/s，中間臨底流速下降到4.67m/s和4.24m/s，臨近尾坎處達6.93m/s和2.62m/s，該沿程流速分布在體型1時靠近左邊墻，體型2時靠近右邊墻。但是體型2在橫向上(靠近左邊墻)的流速較大且與最大流速相比變化不大，體型1在橫向上的流速變化較大。這主要是由于在靠近尾坎處范圍內的水流出現較大回旋，導致部分能量被消耗掉，進而右邊墻的流速變得較小，也定量反映了臨底水流流態的變化。對稱體型消力池的最大臨底流速為14.57m/s，中間的臨底流速下降到5.43m/s，臨界尾坎處達到2.41m/s，該沿程流速分布靠近右邊墻且附近有回旋產生，左邊墻附近也形成了回旋，兩邊邊墻的流速小，消力池內的沿程流速分布均勻。

消力池臨底流速分布如圖4所示。

圖4 消力池臨底流速分布

3.3 消能率

消力池的進口反弧段起始斷面a—a處的能量Ea為初始能量，位于尾坎躍后的河道下游斷面b—b處的能量Eb為剩余能量，如圖5所示。依據兩段面間的能量變化公式(3)～式(6)[6]，確定的消力池消能率見表2。

圖5 計算消能率的示意圖

體 型斷面a—a斷面b—b平均流速va/(m/s)水深ha/m平均流速vb/(m/s)水深hb/m消能率/%非對稱體型119301509111357276非對稱體型219301505822118127對稱體型19301506152008083

計算消能率的a—a和b—b斷面的能量公式：

(3)

(4)

消力池內的能量損失ΔE為

ΔE=Ea-Eb

(5)

相對消能率為

(6)

式中va、vb——斷面a和b處的平均流速；

ha、hb——斷面a和b的水深。

從表2中可知，三種體型消力池的消能率都較高，這是由于在消力池內部均有大尺度的回旋流和水躍產生。但是，非對稱體型的水流流態劣于對稱體型，靠近某單邊墻(左邊墻)附近的流速明顯大于另一單邊墻，進而左邊墻受到較大的水力沖擊導致易被破壞。因此，在消能率相當的情況下，對稱體型優于非對稱體型。

4 結 論

通過物理模型試驗對石梁子水庫溢流壩反弧段入水軸線與消力池軸線的非對稱布置和對稱布置兩種形式下消力池內的水流特性和消能率進行了研究。非對稱布置的消力池內會在單側邊墻附近產生大的漩渦，回旋劇烈，邊墻附近的流速大，容易被沖擊破壞，在尾坎處也會有明顯的跌流現象。但是，對稱布置的消力池可消除這些不良的水力特性，且兩種體型下的消能率相當。因此，對稱布置體型優于非對稱布置體型，可為類似的工程提供借鑒。

[1] 程飛,劉善均. 微挑消力池的數值模擬與試驗研究[J]. 四川大學學報(工程科學版),2011,43(1):12-17.

[2] 孫雙科,柳海濤,夏慶福,等. 跌坎型底流消力池的水力特性與優化研究[J].水利學報,2005,36(10):1188-1194.

[3] 張功育,湯健,王海軍,等. 跌坎式底流消能工的消能機理分析與研究[J]. 南水北調與水利科技,2005,3(6)：43-45.

[4] 南京水利科學研究院. SL 155—2012水工(常規)模型試驗規程[S]. 北京：中國水利水電出版社,2012.

[5] 吳持恭. 水力學(上冊)[M]. 北京：高等教育出版社,2007：278.

[6] 沈浩,王均星,鄭浩. 有無分水墻對蓮花寺水庫消力池消能效果的影響[J]. 水電能源科學,2016,34(3)：108-111.

Experimentalstudyonhydrauliccharacteristicsofnon-symmetrichydrationpool

YIN Yangsong

(DatangSichuanPowerGenerationCo.,Ltd.,Chengdu610091,China)

The influence of sluicing flow entry axis under release structure and the layout form of hydration pool axis on water flow features in the pool, energy dissipation efficiency, etc. is rarely studied. The hydration pool of Shiliangzi Reservoir is adopted as an object. The hydraulic model test is adopted for comparatively studying the water flow features and energy dissipation efficiency of symmetrical and asymmetric hydration pools. The research results show that water flow forms severe swirl near the unilateral boundary, and the unilateral side wall flow velocity is significantly greater than the other side, and it is easily damaged by impact in the asymmetric hydration pool. The tail gate also suffers from obvious secondary drop flow phenomena. There are symmetrical small vortexes near two side walls with a symmetrical shape. Their strength and scope are small. The flow velocity near the wall is low. Tail gate water flow is smoothly linked to the downstream. Its flow characteristics is superior to the asymmetric shape. The energy dissipation efficiency under the two shapes is equivalent.

asymmetric; hydration pool; hydraulic characteristics; energy dissipation efficiency; physical model

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.007

TV135.2

A

1005-4774(2017)010-0028-04