扭面式消能墩在低水頭泄水建筑物中的應(yīng)用

黃肖

（鞍山水文局，遼寧鞍山114039）

1 研究背景

梨樹園子水電站是一座以發(fā)電為主的小型徑流式水電站，同時也是鴨綠江二級支流愛河梯級開發(fā)的第五級水電站[1]。電站壩址位于遼寧丹東鳳城市石城鎮(zhèn)梨樹園子村，距離鳳城市約25 km。梨樹園子水電站設(shè)計庫容1 800 萬m3，裝機(jī)容量為22 400 kW，工程按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。梨樹園子水電站位于低山丘陵區(qū)，大壩高度較低，屬于典型的低水頭水電站，同時受到氣候因素和上游來水的影響，日常下瀉流量較小，但是在汛期遭遇上游洪峰侵襲的情況下，下瀉的單寬流量會迅速增加，呈現(xiàn)出水流形態(tài)復(fù)雜、佛氏數(shù)低的特點，這就給下游的消能建筑物設(shè)計帶來較大的困難[2]。鑒于以往理論研究和工程實踐，此類水利工程如果采用傳統(tǒng)的T 型墩或六邊形棱柱消能墩，容易出現(xiàn)消能效果差和墩后空蝕空化等缺陷[3]。基于此，本文以梨樹園子水電站為工程依托，提出一種扭面式消能墩，并通過試驗研究的方式驗證其設(shè)計的合理性和工程應(yīng)用價值。

2 研究方案

2.1 扭面式消能墩的制作

扭面式消能墩的設(shè)計原理是將消能墩的兩側(cè)設(shè)計為扭面構(gòu)成的凹槽形態(tài)，當(dāng)下瀉水流通過凹槽過程中，由于受到墩體的阻擋作用而分成多股水流[4]。其中，一部分水流受到扭面的作用而產(chǎn)生回旋式漩渦，與外側(cè)向下流動的水流相互作用形成比較劇烈的紊動效應(yīng)，從而大幅提升消能墩的消能效果；此外，受到消能墩頂部扭面的作用，中部被挑起的水流與兩側(cè)水流產(chǎn)生摩擦也能形成水渦，從而消耗部分能量[5]。結(jié)合工程背景資料和試驗?zāi)Ｐ脱芯克鄣拇笮。っ媸较芏盏某跏荚O(shè)計模型尺寸為6.2 cm×8.0 cm×10.5 cm。側(cè)面和上邊緣線均采用方程為y=x2的二次拋物線面相接。根據(jù)CATIA 三維建模結(jié)果進(jìn)行實物的3D 打印，獲得圖1 所示的實物模型。

圖1 扭面式消能墩模型實物圖

2.2 試驗系統(tǒng)

下瀉水流流態(tài)是十分復(fù)雜的流體力學(xué)問題，理論和試驗研究相結(jié)合是解決此類問題的重要方法，因此，此次研究利用模型試驗的方式展開[6]。根據(jù)試驗?zāi)康暮鸵螅麄€試驗系統(tǒng)由水槽、水箱、水泵以及控制臺組成。其中，水槽的長、寬、高分別為1 000，30 和50 cm，其中槽身由有機(jī)玻璃制作，可以有效模擬混凝土泄水建筑物的糙率[7]。消能墩固定在距離水槽尾部330 cm 處的水槽底部；水泵由伺服電機(jī)控制，可以提供不同流速要求下的水槽循環(huán)水流，水槽的電子控制臺可以實時顯示和控制水槽內(nèi)的流量大小，實現(xiàn)流量的精確控制。試驗過程中的水深利用水位測針測量；消能墩周圍的流速分布利用PIV 粒子圖像測速儀測量和分析計算[8]。

2.2 試驗工況

鑒于低水頭電站在運行過程中下瀉流量的變化較大，不同流量條件下的消能墩周圍流場特點是研究測試的主要內(nèi)容。因此，研究中設(shè)置低流量9 L/s 和高流量15 L/s 兩種不同的流量水平進(jìn)行試驗，以模擬水電站正常運行和汛期大流量泄洪工況，選取消能墩的左側(cè)、右側(cè)以及中部3 個位置進(jìn)行拍攝，以充分分析消能墩的綜合消能效果。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 二維流暢分析

對不同流量條件下的消能墩左側(cè)PIV 拍攝所得圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，由獲得的流線分布圖可知，在9 L/s 流量下，消能墩上部的流線比較平順，說明水流比較順暢，在靠近墩體的部位，水流的流線受到墩體斜面的影響出現(xiàn)比較明顯的浮動，方向也發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)折，說明該部位存在比較強烈的水流紊動，水流的能量也隨著得到消耗，顯示出比較明顯的消能效果；在15 L/s 的大流量條件下，消能墩上部的流線仍舊比較平順，在靠近墩體的部位，流線出現(xiàn)了比較明顯的彎曲，并在墩后部位出現(xiàn)了十分明顯混亂，說明產(chǎn)生了十分強烈的水流紊動，具有十分明顯的消能效果。

對不同流量條件下的消能墩中部PIV 拍攝所得圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，由獲得的流線分布圖可知，在9 L/s 流量下，消能墩后的區(qū)域流線彎曲成旋渦狀，水流紊動強烈，能量被大量消耗，原因是水流與墩后的凹面碰撞造成方向偏轉(zhuǎn)和回流；在15 L/s 流量條件下，墩體頂部的流線比較平順，說明水流可以沿著斜面穩(wěn)定向下游運動，而墩后部位的漩渦范圍更大，說明水流的紊動作用更為強烈，消能效果十分明顯。

對不同流量條件下的消能墩右側(cè)PIV 拍攝所得圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，由獲得的流線分布圖可知，在9 L/s 流量下，消能墩頂部的流線與槽底平行且比較平順，說明水流能夠平穩(wěn)下瀉，下層水流出現(xiàn)比較明顯的分層且紊動作用增強，有利于能量消耗；在15 L/s 流量下，有3 處區(qū)域的流速較周圍區(qū)域明顯偏大，由于流速不同造成水流的剪切作用達(dá)到消能目的。

3.2 垂向流速分析

為了進(jìn)一步研究消能墩對水流的作用和調(diào)整機(jī)理，在消能墩的墩后區(qū)域提取橫坐標(biāo)為20，40，60，80 mm 等4 個不同斷面的縱向流速，研究消能墩不同部位的垂向流速分布特征，對扭面式消能墩的消能效果進(jìn)行評價。

圖2 是消能墩左側(cè)9 L/s 和15 L/s 流量條件下的4 個斷面垂向流速分布圖。由圖2 可知，消能墩左側(cè)的垂向流速表現(xiàn)出比較明顯的“S”型特征。在消能墩墩體頂部以上的區(qū)域，水流的縱向流速變化并不明顯，而消能墩墩體以下的區(qū)域，水流的縱向流速變化相對比較顯著。究其原因，主要是該部位的墩體結(jié)構(gòu)發(fā)生了比較明顯的變化，特別是高度為40～70 mm 的區(qū)域，由于消能墩的墩體向外突出，造成該部位水流的流速明顯減小，而上下兩側(cè)的過水面積明顯減小，因而流速增大比較明顯。此外，不同斷面相比較，越靠近消能墩的斷面其垂向流速的變化量越大，說明越靠近墩體流速的變化就越劇烈，而水流紊動的能量消耗作用就越強。

圖3 是消能墩中部9 L/s 和15 L/s 流量條件下的4 個斷面垂向流速分布圖。由圖3 可知，在消能墩墩體頂部以上的區(qū)域，水流的縱向流速變化圖并不明顯，而消能墩墩體以下的區(qū)域，水流的縱向流速變化相對比較顯著，垂向流速在0 m/s 附近交替徘徊。此外，不同斷面相比較，越靠近消能墩的斷面其垂向流速的變化幅度越大，越遠(yuǎn)離墩體，其垂向流速的變化幅度就越小。這說明，靠近墩體部位的水流變化劇烈，而水流紊動的能量消耗作用就越強。

圖2 消能墩左側(cè)不同流量垂向流速度分布圖

圖3 消能墩中部不同流量垂向流速度分布圖

圖4 是消能墩右側(cè)9 L/s 和15 L/s 流量條件下的4 個斷面垂向流速分布圖。由圖4 可知，消能墩墩體頂部以上的區(qū)域，水流的縱向流速變化并不明顯，而消能墩墩體以下的區(qū)域，水流的縱向流速變化相對比較顯著。總體而言，消能墩右側(cè)的垂向流速表現(xiàn)出比較明顯的“S”型特征。特別是高度為60～90 mm的區(qū)域，由于消能墩的墩體向外突出，造成該部位水流的流速明顯減小，而底部由于過水面積明顯減小，造成流速增大比較明顯。此外，同左側(cè)和中部類似，越靠近消能墩的斷面其垂向流速的變化量越大，說明越靠近墩體流速的變化就越劇烈，而水流紊動的能量消耗作用就越強。

圖4 消能墩右側(cè)不同流量垂向流速度分布圖

4 結(jié)論

此次研究利用實驗室模型試驗的方式，以梨樹園子水電站為工程依托，研究了扭面式消能墩在低水頭水利工程中的消能效果，獲得的主要結(jié)論如下：

1）通過扭面式消能墩左側(cè)和右側(cè)的二維流場分析，當(dāng)下瀉水流在經(jīng)過消能墩兩側(cè)的扭面時，存在十分明顯的水流分層現(xiàn)象，且部分水流受到墩體結(jié)構(gòu)的擾動作用，流向發(fā)生改變甚至翻轉(zhuǎn)，繼而差生了十分明顯的上下層流速差和回旋水流，達(dá)到消能目的。

2）對扭面式消能墩中部的流場分析顯示，部分水流受到墩體頂部曲面的作用被挑起，并未被挑起的水流之間產(chǎn)生比較明顯的碰撞與摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生十分明顯的水流紊動，達(dá)到了消能目的。

3）從扭面式消能墩的垂向流速分析結(jié)果來看，墩體兩側(cè)的垂線流速呈現(xiàn)出比較顯著的“S”型特征，流速分布不均且變化梯度較大，因此造成不同流速的水流相互剪切做工，達(dá)到了水流能量的大量消耗。

綜合以上分析，扭面式消能墩具有良好的消能效果，可以在低水頭水利工程泄水建筑物設(shè)計建設(shè)中采用。