五一水库工程深孔底流消能水力学问题研究

陈 蕾

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000)

五一水库工程深孔底流消能水力学问题研究

陈 蕾

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000)

迪那河五一水库枢纽工程由大坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电洞和供水管线等主要建筑物组成，水库正常蓄水位1 370.0 m，最大坝高102 m，总库容0.968亿m3，调节库容0.51亿m3，为不完全年调节水库。通过新疆迪娜河五一水库泄水建筑物整体水工模型试验，论证导流兼泄洪冲砂洞出口消能的合理性，对消力池体型进行优化，由试验研究得出方案，实际运用表明，效果达到试验要求。

导流兼泄洪冲砂洞;消力池;体型优化;栅条;底流消能;水力学

1 工程概况

迪那河五一水库枢纽工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县群巴克乡境内，距轮台县以北40 km。水库工程由大坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电洞和供水管线等主要建筑物组成，水库正常蓄水位1 370.0 m，最大坝高102 m，总库容0.968亿m3，调节库容0.51亿m3，为不完全年调节水库。

2 导流兼泄洪冲砂洞布置

导流兼泄洪冲砂洞前期作为导流洞，后期作为永久泄洪冲砂洞，布置在左岸，导流兼泄洪冲砂洞采用工作门竖井前为有压洞、工作门竖井后为无压洞的布置形式，由进口引渠段、事故门闸井段、压力隧洞段、工作门闸井段，无压隧洞段、扩散段、出口消能段及护坦段组成。出口扩散段长71.2 m，扩散角7.2°。出口消力池长85.0 m，宽16.0 m，消力池深 8.4 m，池高18 m。消力池后接30.0 m长、16.0 m宽护坦。

导流兼泄洪冲砂洞设计工况下泄流量759 m3/s，校核工况下泄流量773 m3/s。为了得到各工况深孔导流洞进口进水塔、工作门闸井过流断面流态及流速等情况，试验选取200 m3/s、402.86 m3/s(初期导流量)、474.97 m3/s(后期导流量)、设计水位流量及校核水位流量等5个典型流量进行试验。由水力学试验情况可以看出，导流洞消力池内无论是大流量还是小流量流态总体不稳，小流量水跃位置靠前，水流跳跃飞溅，大流量池内水流壅高、波动较大，水流溅出池外较多，因此在前期试验结果的基础上，对消力池的体型进行了优化。包括调整池深、池宽、池长及加栅、降低护坦等不同措施。

3 出口消力池体型优化

3.1 消力池后变底坡

导流兼泄洪冲砂洞在大流量时消力池出口水流收缩产生局部壅水，在下游弯段处跌水，水流连接极不平顺，偶尔水流溢出边墙，为了消除水流不稳定现象，促使池内水流与下游平顺连接，在设计工况下，对池后连接段的底坡进行不同坡度调节，当消力池坎顶底坡调整为1∶8时(图1)水流条件得到明显改善，连接较为顺畅。

图1 导流洞消力池优化布置方案

3.2 加深，加宽消力池

设计消力池边墙高度18 m，试验中设计工况消力池最大水深为20 m，校核工况下消力池内最大水深为20.3 m。经过变底坡优化，水流衔接改善，但池内水流流态变化不大，水流依然起伏不定，高出边墙较多，改变消力池尺寸进行试验，由前面试验过程发现，水跃在池中混掺充分，水跃尾部未达到消力池末端，可见消力池长度足够，改变消力池尺寸主要是池宽和池深，考虑地形和地质条件，首先制定偏大方案:池加深2 m、加宽4 m，在设计水位条件下放水试验，发现消力池内最大水深基本与原设计边墙高度持平，偶尔偏高，水跃跃前至渥奇段中部偏上，有水花溅起达到此处边墙高，水流条件整体改善不大。

上面方案消力池加深水跃前移，跃前断面靠前，造成渥奇段水深加大，继续修改方案:池不加深、加宽4 m。在设计水位条件下放水试验，渥奇段水深略有降低，但水跃位置变化不大，消力池内水流与前方案类似，最大水深也基本与原设计边墙持平。

考虑在渥奇段末端加坎进行消能，加一1.5 m高的跌坎，坎后水流混掺充分，池内水面均低于原设计边墙高，但渥奇段跃前断面继续向上游发展，水流波动较大。

继续减小池宽进行试验，修改方案为:池加宽2 m、加深2 m、坎高2 m。水流在池内波动较大、水位壅高，渥奇段尾部水跃旋滚区较大，基本达到原设计边墙高度。

不论池宽如何变化加池深作用不大，水跃跃前断面还会继续向上游运动，坎的作用也类似。因此对只加宽池宽度进行试验，采取加池宽2 m的方案，在设计水位条件下放水试验，消力池内后段水流平顺，前段稍有紊乱，但水深基本保持在原设计边墙高度，渥奇段水流常有水花溅起。

3.3 池内加悬栅、降低护坦

通过以上调整消力池尺寸的试验证明，在池底不能加辅助消能工的前提下，要想达到理想的消能效果很难。因此将消力池内加栅条、下游护坦降低，水流条件改善、波动幅度减小、水跃基本发生在池内、池末端水流平稳。

首先在消力池加16根栅条，后13根距离池底10 m，两根之间距离5 m，前3根依次降低1 m，效果较好，水跃在池内，水流稳定。但在小流量时，水跃跃前断面依然靠前，针对小流量问题，在之前又加了3～4条悬栅，同时把前面的6～7个栅条方向做了变化。由表1可见:在小流量时由于池内水深较大，水跃跃前断面基本在渥奇段中部，加栅条后移跃前断面的作用不大，但此时水流波动较小，水流流态较好。在600 m3/s流量时加17根栅条的影响较大，水跃明显后移。但在700 m3/s流量时加16根栅条就能满足，在设计水位和校核水位情况下，加13根栅条就能满足。在不同流量情况下调整栅条角度的试验表明，在大小流量时角度的变化对水跃位置的改变及水流流态的改变不大。

表1 栅条数量及位置对比表

4 消力池优化方案的试验情况

经过以上多次消力池修改方案试验，由于工程现场地形条件的制约，消力池宽度不能加太多，池深、池长的变化对消能效果影响较小，通过对比可以看出加栅条方案较好，最终确定为加17根栅条、护坦降低0.9 m的优化方案(图2)。试验测试了该方案在设计水位和校核水位条件下的流态、流速、压强、冲刷等情况。

图2 导流洞消力池优化方案布置

5 结论

为改善底孔出口消力池水流流态，在尽量减小工程量增加的前提下，对消力池的体型进行一系列优化方案，由反复试验研究确定的方案效果较好，按照池内水深加上安全超高确定消力池边墙，消力池池内及渥奇段加栅条，池后底板变坡，降低护坦。

［1］吴战营，牧振伟，潘光磊.导流洞出口消力池内设置悬栅消能工试验研究［J］.水利与建筑工程学报，2011(04):39-41，104.

TV135

A

1007-7596(2012)09-0020-02

2012-09-03

陈蕾(1978-)，女，吉林延吉人，工程师，从事水电建设施工工作。