某水庫泄流出口消能方案模型試驗研究

呂會嬌 禹勝穎 袁淮中 蘇 通

1 工程概況

某水庫是某地區城鄉飲水安全水源工程主調節水庫，總庫容2 533萬m3，其中調節庫容2 300 萬m3。泄流建筑物主要由輸泄水塔、泄水隧洞及泄空管道三部分組成。

輸泄水塔位于水庫左岸，正常供水水位同水庫正常蓄水位1 874.50 m，最低供水水位同水庫死水位1 837.00 m。取水塔進水側在1 862.00、1 849.00 和1 836.00 m 分別設置3 扇進水閘門，取水塔出水側設控制閘門1 扇。泄水隧洞總長240 m，為DN2 200 mm 鋼筋混凝土結構，進口底部高程為1 831.50 m，出口底部高程為1 829.10 m。泄水隧洞后接243.3 m 長DN1 600 mm 泄水鋼管，進口底部高程為1 829.10 m，出口底部高程為1 809.53 m。

出口消能布置：DN1 600 mm 泄空管后按3 根DN1 000 mm 分支管，分支管垂直伸入消力池中，分支管末端設消能孔，讓水流噴射于消力池中進行消能，再經二級消力池與尾水渠相接。

2 模型的設計與制作

2.1 模型設計

對于管道出口的水流，其運動主要是受重力和慣性力的影響，所以按弗汝德數相似準則即重力相似準則設計，采用正態模型。根據試驗設備所能提供的最大水頭，并結合市場上可選的有機玻璃管直徑情況及試驗要求，選定模型比尺為λL=λH=16，流量比尺：，流速比尺糙率比尺：，時間比尺：

2.2 模型制作

模型范圍從消能總管末端前約30 m 開始，至消能建筑物末端結束，全長約150 m。原型泄水管及支管均為鋼管，要求模型糙率為0.006 9，模型采用有機玻璃管制造，糙率為0.008；消力池采用水泥抹面，糙率為0.008 8；流量采用電磁流量計量測；流速采用多功能智能流速儀測量；水位測量采用水準儀和活動測針。模型的放線精度及制作安裝精度符合SL 155—2012《水工（常規）模型試驗規程》的要求，整個試驗過程也按照上述規范進行。

3 試驗成果分析

3.1 原方案試驗成果分析

在4 種泄洪工況（Q=30 m3/s、Q=20 m3/s、Q=15 m3/s、Q=10 m3/s）條件下，通過對原設計體型水流流態、水面線、沿程流速分布以及消能情況的試驗成果分析，原設計方案存在以下幾個問題：（1）支管末端開孔的豎管噴射后消能效果不佳，出水孔口參數設計不合理；（2）消力池內的流態紊亂，消能效果不理想，尾水渠內流速較大。

3.2 原設計方案的優化

3.2.1 消能器出水孔口參數的確定

支管長1.8 m，孔徑為1 m，采用梅花形布置。支管上出水孔口選擇7 mm、9 mm 孔徑（模型）進行多組調試。經過多次試驗分析，采用出水孔徑7 mm 為最佳，確定流量為30 m3/s 時的消能器支管上出水孔口參數見表1。開孔方式如圖1 所示。

表1 消能支管出水孔口參數表

3.2.2 消力池的優化

（1）取消第一級消力坎，在此處安裝兩個導流墩，兩導流墩間隔處安裝消能格柵，導流墩上安裝蓋板，扭面段及下游渠道安裝消能墩。

（2）加高第二級消力池坎至1.7 m。

圖1 豎管出水孔口布置圖（單位：mm）

3.3 優化方案的試驗成果

3.3.1 各支管分流比

各封閉支管中流量用傳統方法不易量測，本試驗采用超聲波流量計進行量測。泄放30 m3/s 的流量時，經量測各支管流量總和與控制流量的電磁流量計顯示數據一致。3 只支管的分流比為1∶1.3∶1.4（8.11∶10.54∶11.35，單位：m3/s），靠近總管末端值最大。

3.3.2 流速、流態及水面線

泄放30 m3/s 的流量，庫區水位穩定后，測得水庫水位低于正常蓄水位。對消力池及尾水渠的流態、流速和水面線進行了量測。圖2 為優化方案的水面線和流速分布圖。

圖2 優化方案的水面線和流速分布圖

水流經各支管末端開孔的豎管噴射出后，射出水流在水下紊動碰撞，消力池中水位迅速升高，消力池內水面波動較大；消力池內最大水面高程達1 813.74 m，第二級消力坎坎上水頭1.22 m。水流在二級消力坎后形成水躍泄向下游。兩側邊墻滿足最高水位要求。

圖3 為實測扭面下游16 m 斷面處流速分布圖。增加消力墩后，由于渠道加糙使水深增大，下游渠道流速明顯減小，實測扭面下游16 m 處最大流速為3.80 m/s，尾水渠內流速分布呈現兩側大、中間小，表流速大、底流速小的特點。

試驗證明，增加導流墩、消能格柵以及消能墩，可有效降低渠道中的流速。

3.3.3 消能率

圖3 扭面下游16 m斷面處流速分布圖（單位：m/s）

通過試驗可以看出：管道壓力水流通過噴孔淹沒噴射出流，在消力池內水流劇烈紊動碰撞，消去大部分能量，為計算消能率，以二級消力池底板（高程為1 810.13 m）為基準面，對測量斷面和第二級消力坎斷面列能量方程，求得的消能效果見表2。

表2 消能效果表

從以上試驗結果可以看出：壓力管道的水流通過支管與消力池由90°豎向彎管相連后，多噴孔淹沒對稱向四周噴射出流，水流在局部范圍內紊動碰撞，在消力池內消耗了大部分能量，同時增加消能墩后的消能效果有所提高，消能率達到85%以上；由于噴孔射流在消力池內旋滾的相互作用，亦能有效減少對消力池固壁的沖刷。

4 結 語

（1）水庫在壓力管道出口采用多噴孔無控制泄流的消能方式，結構簡單，消能效率高，可行性強。

（2）壓力管道的水流通過支管與消力池由90°豎向彎管相連后，多噴孔淹沒對稱向四周噴射出流，水流在局部范圍內紊動碰撞，在消力池內消耗了大部分能量，消能率達到85%以上，能保證水流平穩地和下游銜接。

（3）通過采取增加導流墩、消能格柵以及消能墩的優化方案，提高了消能效果，有效降低了下游渠道中水流流速。

（4）水庫壓力管道出口3 只支管的分流比為1∶1.3∶1.4，靠近總管末端值最大。消能器噴孔面積與支管截面積比為1.32，與展開面積比（開孔率）為18.3%。

（5）經研究分析，開孔率不變，隨著流量的減小消能率隨之降低。