T型墩的应用及消能效果

2010-06-09常云华

长春工程学院学报（自然科学版） 2010年1期

常云华,闫隽,吴亮

(长春工程学院水利与环境工程学院,长春130021)

0 引言

水工设计中,泄洪消能是非常重要的研究课题,它不仅影响整个水工枢纽的布置,还影响工程量与投资。我国对高水头的泄洪消能,大部分采用挑流消能、底流消能形式,对中低水头采用面流消能。这些消能形式可以起到一定的消能效果,但是往往很不理想。T型墩作为一种新型的辅助消能设施,其主要消能过程是:在墩前产生强迫水跃形成高度撞击的消力池,通过水跃消除大部分能量,其次,墩的局部阻力使墩的周围水体的剪切摩擦碰撞也消除了一部分能量,所以它的消能效果优于传统的消能方式。

1 T型墩消力池的工程应用及研究情况

T型墩消力池是一种设辅助消能工的冲击式消力池,我国20世纪70年代后期,在青海雪龙滩水电站、湖南河溪电站、黑龙江省的桃山水库、吉林省的沙河子水库、吉林省五道水库、东林水库、杨柳水库、小石河水库、河龙水电站的工程中逐渐以比较方案的形式,进行对比试验,已显示了以下明显优点:(1)由于池内设置T型消力墩,使其池内尾墩前产生一强迫水跃,故使水跃长度减小,所以消力池长度也大大减小,一般可缩短池长1/3～1/2;(2)尾水适应的变幅较大,尾水深度降低可达10%～20%;(3)消能效果良好,由于尾水有所降低,消能率有所提高;(4)由于消力池尺寸大大缩小,经济效益十分显著。

1.1 池内流态及尾水适应情况

T型墩消力池的流态,具有底流和面、戽流流态的混合特点,流入消力池的急流水深h1,流速v1,因受T型墩和尾坎阻流作用而形成强迫水跃,坎上有一水浪壅高hm,以及尾坎后有一小水滚与尾水ht相衔接,坎后底部有一反向漩滚或死水区,见图1。

图1 T型墩消力池流态

消力池内的流态,在T型墩体型尺寸及入池水力要素一定的情况下,和尾水位有着密切的联系。如把保证池内产生临界水跃时所需的下游水深作为临界下游水深htk,由3个曾做过下游临界尾水水深的资料得知(见表1与图2),尾水的界限水深htk与e/h1值有关,可写成:

表1 资料表

图2 e/h1与ht/h″关系曲线图

式中:h″——跃后水深。

由此可以得出,T型墩消力池内产生强迫水跃的临界尾水水深,仅为矩形平底消力池的70%左右。

1.2 T型墩消力池减小池长、池深

总结国内9个工程试验成果,如表2。

表2 工程试验成果

从表中数据可以看出T型墩消力池的池长L′仅为平底池L的1/3～1/2,为第二共轭水深的1.3～2.2倍。池深也有所减少,减少最多的仅为平底消力池池深的1/2。

1.3 T型墩消力池提高了消能率

T型墩消力池,主要由墩前的水滚构成消能的主体,而坎后的二次水跃,占消除余能的小部分。T型墩消力池正是利用了适用于跃后水深较低的特点,故其消能率有明显提高。形成的强迫水跃,由于尾坎后纵向跌落形成二次水跃,还要消刹部分下泄能量。

根据其它几个水库的实测资料且经过计算,其消能率也都在50%以上,结果也说明了T型墩消能率比较高。

2 原型观测

原型观测与水工模型试验及理论分析是紧密结合的。2006年长春工程学院立项对梅河口市六八石水库消能工的消能效果等进行原型观测,由于2006年来水量较少,为了保证灌溉用水,没有进行放水观测;2007年8月份,在梅河口市水利局的协助下,对该水库溢洪道消能情况进行了原型观测,主要内容包括水位、流速、流态(包括跃前跃后水深、水面线、水跃形态及长度、水跃平面流态),对下游冲刷情况进行了调查。

2.1 工程概况

六八石水库位于梅河口市辉发河流域南岸曙光镇内一小支流上,库区积水面积24.86 km2,库区内植被良好,淤积现象较轻。河道长度为10.115 km,河道平均比降为3.8‰,流域面积F=24.86 km2。为了减轻洪水对梅河口市的威胁,提高该水库的经济效益,1996年重建一小I型水库。该库建成后,可年调节水量69.88万m3,年兴利库容达62.09万m3。水库设计标准为50a一遇洪水设计,300a一遇洪水校核。

水库枢纽由土坝、溢洪道、输水洞组成。土坝最大坝高7 m,为均质土坝;溢洪道宽 14.6 m,按三孔溢流,每孔净宽3.8 m,底板高程334.17 m,陡坡段长15.7 m,陡坡段出口高程343.96 m,消力池原长17 m,溢洪道设计采用了当时一种新型的辅助消能工——T型墩,采用T型墩消力池后,池长缩短为10.3 m,池深0.5 m。

结合工程实际情况,将 T型墩尺寸初拟为:47∶71∶95∶118∶143,消力池布置简图如图 3。

该工程于1996年建成投入使用,1998年经受了相当于设计洪水标准的考验,下游冲刷轻微,证明消能效果较好。

2.2 原型观测

原型观测主要开展了水跃、流态、流速及流速分布、冲刷情况、水位与下泄流量的观测,并对原型观测结果与试验成果进行了对比分析。

2.2.1 水跃观测

由于该流域近几年均为枯水年份,没有发生较大的洪水,下游河床两岸滩地均被农民开垦为耕地,为了保证灌溉用水减少农民损失,没能按设计流量放水,只进行了小流量的放水试验,水跃及消力池水面观测结果如表3。

图3 消力池布置简图

表3 水跃及消力池水面实测表

2.2.2 水流流态

当泄流量较小时,水跃现象不十分明显,水面旋滚体在尾坎与陡坡之间就形成了约8 m长的旋滚水体。坎后水流旋滚不强烈,尾水水面流态平稳。由于只开中孔,出闸后水流扩散,没有出现大的主流平面摆动,主流居中,只是在陡槽末端靠近边墙处有回流,流速很小。

当三孔全开泄流量增大到9.6 m3/s时,T型墩典型流态较明显,在距离陡槽末端7.5 m处,产生较明显的水面旋滚区,涌浪的最大高度2.83 m左右,之后又有一较小的水面旋滚,涌浪后二次跌落长度小,整个旋滚体长度约15 m,水流与尾水衔接比较平稳,水面波动不大。实测水流流态示意图如图4,试验与实测水跃剖面示意图如图5。

2.2.3 流速及流速分布情况

上图由于泄放流量较小(9.6 m3/s),从实测流速结果看,流速均较小。消力池内(距离陡槽末端1.5 m处),表面流速为2.0 m/s,中部流速2.05 m/s,底部流速2.51 m/s,流速分布系数α=1.15;下游距离消力池尾坎5.0 m处的表面、中部、底部流速分别是 2.41 m/s、2.15 m/s、1.7 m/s,流速分布系数α=0.83,距离消力池尾坎25.0 m处的表面、中部、底部流速分别是2.32 m/s、2.2 m/s、1.68 m/s,流速分布系数α=0.81。

2.2.4 压力及冲刷情况

溢洪道消力池与海漫连接处,为了避免水流对海曼段的冲刷,设2.2 m长浆砌石,后接干砌石海曼段长20.1 m,坡度为1/15,海曼末端设1.7 m深防冲槽。海曼后接一段土质泄水渠,进入原河道。

六八石水库工程从完建到现在已运行12 a,1998年洪水下泄流量达到99.5 m3/s,接近该工程设计洪水标准,从现场实测情况看,海漫段砌体表面完整,没有冲刷破坏;泄水渠由于多年没有宣泄较大的流量,1.5 m深以上,均被开垦为农田,现场调查也表明,1998年发生的设计洪水没有对下游泄水渠造成破坏;消力池底板和T型墩墩体结构表面混凝土没有裂缝空蚀破坏产生。

2.2.5 水位与下泄流量关系

(1)闸门全开堰流时,水位—流量关系见表4,溢洪道泄流曲线如图6。

(2)闸下出流时,水位—流量关系

闸门开度e一定的情况下,给出不同的上游水头h,计算出不同的流量Q。绘出此种情况下,h-Q关系曲线。给出不同的e,就会绘出一簇关系曲线。不同闸门开度e下的h-Q关系表见表5,关系曲线族如图7。