T型墩對消力池消能效果影響的模型試驗與體型優化研究

鄧 燕

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局開都-孔雀河管理處解放二渠管理站，新疆 庫爾勒 841000)

某水電站屬于典型的河道式徑流電站，裝機總容量為750 MW，兼有防洪和灌溉功能，屬于綜合性小Ⅱ型水利工程，主要水工建筑物有混凝土重力壩、電站及附屬水工建筑。電站的大壩為碾壓混凝土重力壩壩型設計，壩軸線長231 m，壩頂寬8.0 m，壩基高程574.0 m，壩頂高程603.5 m，最大壩高29.5 m。其中，溢流壩段主要由進口段、控制段、泄槽段、消力池段以及出水渠段五部分組成，設計洪水流量為495.05 m3/s，校核洪水流量為946 m3/s。在水利水電工程施工過程中，泄流建筑物中的高速水流往往蘊含著較大的動能，不僅會威脅泄水建筑物本身的安全，還會對下游的河道和河床造成顯著的空蝕和沖刷破壞[1]。顯然，僅憑消力池實現下瀉水流的消能，需要較大的設計深度，需要大幅增加施工成本和難度。因此，在電站的設計中擬采用T型寬尾墩-消力池聯合消能工，提高消能效果[2]。目前，消力池 T型墩多采用矩形形狀，且布置形式比較單一，存在較大的優化設計空間[3]。基于此，本次研究以電站消力池為工程背景，利用模型試驗的方法展開消力池T型墩體型優化研究，以便為某電站消力池設計提供必要的支持和借鑒。

1 模型試驗設計

1.1 模型設計

圖1 模型的平面布置示意圖

1.2 模型的制作

為了便于進行水流流態的觀測，模型的進口段、泄槽段以及出口消能段的側墻的均采用厚度為8 cm的有機玻璃板制作，而控制段以及泄槽段和消力池的底板則采用厚度為10 cm的PVC塑料板制作，以保證模型的穩固性[6]。溢洪道上游的庫區部位采用混凝土磚砌筑，外表面用C25混凝土砂漿抹面壓光，退水渠段用素混凝土制作，并在表面粘貼厚度為5 mm的有機玻璃板，以模擬該段的糙率[7]。消力池的尾坎采用PVC板制作模塊并粘合而成。為了達到模型和實際工程的幾何相似性，在模型制作完畢之后，對各部位的幾何尺寸和高程進行必要的測量檢查，同時對模型的循環系統進行必要的檢驗。在正式試驗開始前對模型進行試水試驗，對存在漏水和滲水的部位進行必要的粘合修復[8]。此外，模型制作所使用的PVC板和有機玻璃板的糙率與模型要求基本相當，在相似性誤差的控制范圍之內，因此模型的設計和制作均滿足模型試驗的相關要求，可以用于下一步的試驗研究。

1.3 試驗方法

在模型試驗過程中，需要用到的儀器有流速儀、測針、量水堰、畢托管、鋼板尺以及測壓管，擁有試驗過程中各種水力參數的測量。具體而言，在模型的回水渠末端設置直角三角形量水堰，測量過水流量；利用鋼板尺測量沿程水深數據，由于消力池內有水躍產生，水流的紊動作用比較強烈，因此水面線的浮動較大，在水深測量過程中需要在同一測點停留30 s，在水面停留2/3時間的數值作為該測點的水深數據；流速的測量利用測壓管的水頭差計算獲取[9-10]，公式為：

(1)

式中：v為測點流速，m/s；Δh為測壓管水頭差，m。

在測量過程中，每個測點連續記錄三次數據，以其均值作為流速的最終測量結果。在模型試驗過程中，根據消力池的躍前和坎上水深、流速、流量以及兩端面的高程，即可計算獲取消力池的消能率，通過T型墩消力池的消能率的對比分析，對不同體型和布置形式的T型墩的消能效果進行評價[11-12]。

2 模擬結果與分析

2.1 消力板的影響結果分析

為了研究消力板對T型墩消能工消能效果的影響，研究中在無消能板的原始設計方案基礎上，在T型墩的兩個迎水面全部設置消力板。消力板與T型墩的前墩固定在一起的部分應水流防線安裝凸起的部分，后部則與T型墩的前墩相連，擴展部分設計為40°的傾斜角度，厚度為前墩高度的1/4，也就是1.0 m[13-15]。

利用上節設計的模型，對消力池內結構進行局部調整，在不同泄流量條件下進行模型試驗。利用試驗數據，對有無消力板兩種工況下的泄水結構水力特征進行計算，獲得水躍高度和消能率與泄流量之間的關系，結果如表1所示。由表中的計算結果可知，在所有的情況下，設置消力板可以顯著降低水躍高度同時提高消能工的消能率。因此，設置消力板可以提高消能效果，建議在工程設計中采用。

表1 有無消力板消能特征計算結果

2.2 T型墩位置影響的計算結果與分析

鑒于T型墩的支腿長度與消力池的池長、前墩邊緣與消力池進水口的距離以及前趾長度之間具有線性關系，因此研究中以支腿長度作為T型墩位置的主要表征量，結合工程的設計資料，在添加消能板設計方案的基礎上，提出11 m、13 m和15 m三種不同的支腿長度，并結合不同支腿長度對消力池內結構進行局部調整，在不同泄流量條件下進行模型試驗。利用試驗數據對不同泄流量水平下的消能率進行模擬計算，結果如圖2所示。由圖可知，在各種泄流量水平下，支腿長度為11 m時的消能率最低；當泄流量較大接近校核流量時，支腿長度13 m時的消能率最大；當泄流量相對較小，接近設計流量時，支腿長度15 m時的消能率最大。雖然東北地區的水利工程，一般會處于小水狀態，但是受當地氣候特征的影響，也不排除出現較大洪峰的可能性，因此水利工程設計必須要將安全放在突出地位。同時，減小支腿長度還有利于降低施工成本，所以12 m的支腿長度應該為消能效果最佳的設計方案。

圖2 不同支腿長度消能率隨泄流量變化曲線

2.3 T型墩墩型影響的計算結果與分析

前文指出，目前的T型墩墩型設計均為矩形形狀，分析認為其他形狀的墩型或許可以取得更好的消能效果。基于此猜想，在添加上節最優位置的前提下，結合T型墩前墩和后墩的不同型式設計，獲得如表2所示的墩型計算方案表。

表2 不同墩型設計表

利用上節設計的模型，對消力池內結構進行局部調整，在不同泄流量條件下進行模型試驗。利用試驗數據獲得不同墩型、不同流量水平下的消能率，結果如圖3所示。由圖可知，各墩型消能率隨泄流量的變化規律基本一致，均為線增大后減小。在流量低于800 m3/s的情況下，消能率隨著泄流量的增加而增大，當流量高于800 m3/s的情況下，消能率隨著泄流量的增加而減小。從不同的墩型對比來看，本文提出的6中T型墩型式按照消能率的大小排列順序為：墩型6、墩型2、墩型5、墩型1、墩型4和墩型3。由此可見，無論在何種泄流量水平下，墩型6的消能效果均為最佳，為推薦墩型設計。該墩型的前墩迎水面為弧形，可以有效改善該部位的水流流態，并在凹陷部位形成絮流，消減一部分水流能量；梯形的支腿可以使尾坎的橫截面積增大，顯著增加了阻水所用，因此消減的能量也明顯增加。上述兩方面的作用，使墩型6獲得了較高的消能率。

圖3 不同墩型消能率隨泄流量變化曲線

3 結語

此次研究以某水電站為工程背景，利用模型試驗的方法對T型墩的體型設計對消力池消能效果的影響進行試驗研究，獲得的主要結論如下：

(1)設置消力板可以提高消能效果，建議在工程設計中采用。

(2)當泄流量較大時，支腿長度13 m時的消能率最大；當泄流量相對較小時，支腿長度15 m時的消能率最大。綜合考慮水利工程的安全性和工程成本，建議支腿長度設計為12 m。

(3)采用前墩梯形、后墩弧形的T型墩墩型消能率最高，可以獲得最佳消能效果，建議在工程設計中采用。