T形墩消力池消能率的计算及优化设计试验

2012-09-06刘焕芳刘文华

水利水电科技进展 2012年6期

陆杨，刘焕芳，金瑾，刘文华，李强

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003)

1 工程概况

肯斯瓦特水利枢纽工程位于新疆玛纳斯河中游的肯斯瓦特河段，距新疆石河子市约70 km，具有防洪、灌溉及发电等综合利用功能。工程由拦河坝、右岸溢洪道、泄洪洞、发电引水系统组成，水库正常蓄水位为 990 m，最大坝高为 129.77 m，总库容为1.88亿m3，控制灌溉面积为21万 hm2，电站装机容量为100 MW，设计年发电量为2.723亿kW·h，属大(2)型Ⅱ等工程［1］。本工程溢洪道位于右岸坝肩处，开敞式布置，由进口段、控制段、泄槽段、消能段、尾水渠组成，采用钢筋混凝土或混凝土修建。溢洪道的消能防冲标准为50年一遇(设计保证率P=2%)，相应特征流量为532 m3/s;工程按500年一遇洪水(P=0.2%)进行设计，相应特征流量为1882m3/s;按5000年一遇洪水(P=0.02%)校核，相应特征流量为2096 m3/s。溢洪道的消能段采用底流消能的消力池方案，其中消力池池深5.0 m，全长80.0 m，宽度从18 m扩散至32 m，扩散角为4.3°，实际工程中未采用T形消力墩。

2 试验概况

2.1 模型设计

模型按重力相似准则设计，根据试验任务及工程性质，结合试验设备、场地及精度，采用长度比尺λL=50的正态模型，模型长度取溢洪道150 m，溢洪道下游至出水渠216.8 m。其他水流物理量比尺如下:流速比尺 λv==7.071，流量比尺 λQ==17677.67，糙率比尺 λn==1.919。

按照上述比尺可进行原型和模型间的相互换算，模型糙率为

式中:np为原型糙率。

2.2 原设计方案模型试验及存在的问题

对原设计方案重点进行了各典型流量Q=532 m3/s，300 m3/s，400 m3/s，800 m3/s，1000 m3/s下的消能防冲试验。各典型流量下溢洪道末端入池断面水深、流速分布见表1。试验结果表明，原设计方案消力池在Q＜300 m3/s条件下均发生淹没式水跃，获得了较好的消能效果;Q=300 m3/s时发生远驱式水跃，但此时消能效果尚好;Q=400～532 m3/s时，消力池内发生远驱式水跃衔接，此时消力池水面脉动较大，跃首前后移动，池内流态极不稳定;Q＞800 m3/s时消力池末端及下游退水渠水面波动剧烈，主流不对称，消能效果差，消力池遭到了严重的破坏。原设计方案不能满足工程要求，为此需要对原消力池设计方案进行修改。

表1 典型流量下溢洪道末端入池断面特征参数

2.3 修改设计方案模型试验

根据国内外试验研究与工程实践［2－5］，T形墩是大流量变幅下底流消能的一种非常有效的辅助消能工，其体积小消能率却较高，可以缩短消力池长度，同时兼顾设计洪水和校核洪水下底流消能的基本要求，从而达到消能的目的，使水流与下游退水渠有较好的衔接状态。为此，在原设计方案的基础上加设T形墩。

前期试验发现，加设T形墩后，池长为50 m即可达到消能效果，故在T形墩优化试验时选取50 m，52.5 m，55 m 3种池长进行对比试验。同时，还发现在较大流量时，水流受到T形墩的直接阻挡会出现水位飙升的现象。流量增至一定值时，T形墩前墩位置处水流跃动很高，甚至可以溅向池外，水跃极不稳定。为了防止上述现象，模型在T形墩前墩和尾坎两个位置处设置了防挑盖板。带防挑盖板的T形墩消力池的平面布置及纵剖面见图1。

图1 T形墩消力池平面布置及纵剖面示意图(高程单位:m，尺寸单位:mm)

根据原设计方案试验结果，对流量、池长、T形墩的形式及支腿长度、防挑盖板等5种因素对消力池消能效果的影响进行研究，发现在消力池中加设带防挑盖板的T形墩后消能效果非常明显，不仅使得Q=532 m3/s时完全达到了工程设计要求，而且在超过消能防冲标准下消力池仍能发生淹没水跃，效果较好，可以有效缩短池长约25%～50%。为此，对以上5种影响因素进行正交试验。试验正交组次安排见表2，T形墩各形式尺寸及阻水面积见表3。

表2 试验正交组次安排

表3 T形墩各形式尺寸及阻水面积

3 T形墩消力池消能率计算公式推导及验证

3.1 消能率计算公式的推导

衡量消能工优劣的一个很重要的指标是消能率［6］。由于水流在尾坎处会形成二次水跃，会消除部分下泄能量［7］，所以在计算T形墩消力池的消能率时，考虑第一次水跃跃前1—1断面至跃后2—2断面之间的总能量损失［8］，如图2所示，根据能量方程得

1—1断面总能量

2—2断面总能量

图2 T形墩消力池能量损失计算示意图

令跃前断面和跃后断面的动量修正系数均为1，即α1=α2=1。T形墩消力池消能率

根据连续方程可知

将式(6)(7)代入式(3)得

将式(2)(9)代入式(4)得

式(10)既适用于B1≠Bt下的梯形消力池，同样也适用于消力池坎后高程与池底高程不等(Δz≠0)的情况。对于坎后高程与池底高程相等的矩形消力池，即B1=Bt且Δz=0，此时T形墩消力池消能率的计算公式可简化为

对于一般等宽、平底、无尾坎的消力池，可近似认为跃后水深ht与临界共轭水深h″相等，即N=1。

3.2 计算值与实测值的比较

根据式(10)，池长为 52.5 m、流量为 300～1000 m3/s、加设带防挑盖板的T形墩(形式①)后的消能率计算值与实测值见图3。从图3可以看出，计算值与实测值拟合较好，说明式(10)满足实际工程T形墩消力池消能率计算的精度要求。

图3 T形墩消力池消能率计算值与实测值的比较

4 T形墩消力池池长的优化

T形墩消力池池长L0是从消力池入口到尾坎的距离，由消力池入口至前墩的距离x0及前墩至尾坎的距离所构成。图4为T形墩(形式①)在不同池长时的消力池消能率随流量的变化曲线。由图4可以看出，当池长为50.0 m时消能率先随流量增大而增大，流量达到400 m3/s时消能率达到峰值，而后逐渐减小;当池长为52.5 m时，消能率随流量的增大而逐渐增大，直至流量增大至800m3/s时消能率趋于稳定。在其他条件不变且流量小于430 m3/s条件下，池长为50.0m时的消能率较高;流量大于430m3/s条件下，池长为52.5m时的消力池消能率最高。由以上分析可知，流量不变时，不同池长的消能率变化规律不同;池长不变时，不同流量的消能率变化规律也不同。考虑到肯斯瓦特水利枢纽工程流量变化范围，加设T形墩后消力池的池长可设为52.5 m，较原设计方案提高了消能率，减少了开挖方量，工程效益相对较高。

图4 不同池长时消能率随流量的变化曲线

5 T形墩消力池墩形的优化

5.1 T形墩支腿长度的优化

T形墩支腿长度直接影响T形墩在消力池内的相对位置，进而影响 T形墩消力池的消能效果。图5为池长为52.5 m，T形墩支腿长度为10 m，12 m，14 m 3种情况下消能率随流量的变化曲线。由图5可以看出，当T形墩支腿长度为10 m和14 m，流量大于500 m3/s时，消能率随流量的增加逐渐降低;当T形墩支腿长度为12 m，流量增至800 m3/s时，消能率出现降低的趋势。另外发现，流量小于500m3/s时，T形墩支腿长度为14 m时的消能率较高;而流量大于500 m3/s时，T形墩支腿长度为12 m时的消能率明显高于支腿长度为10m和14m时的消能率且更稳定。通过对以上3种T形墩支腿长度消能效果的比较分析可知，T形墩支腿长度设计时存在一个最优支腿长度。在大流量变幅内，本次试验确定支腿长度为12m时的消能率最高，且比较稳定。

图5 不同支腿长度时消能率随流量的变化曲线

5.2 T形墩体形的优化

目前，国内大多数工程T形墩体形结构尺寸比例为2∶3∶4∶5∶6(前墩厚 ∶墩高 ∶前墩宽 ∶尾坎高 ∶支腿长)，支腿厚度与前墩厚相同，即为传统的湖南院体形［9－12］。有关T形墩的研究也基本是在此墩形基础上进行，只是将其比例进行调整。肯斯瓦特试验模型最初方案亦按上述比例设计，但试验发现消能效果并不是很好。本次模型试验设计时，改变了传统的湖南院体形，调整了结构尺寸比例，并在支腿矩形、前墩矩形的基础上对前墩和支腿的形式进行改进(表3)，并在原方案的基础上加设防挑盖板，以增强消能效果。

图6为池长为52.5 m、加防挑盖板的条件下，6种不同墩形的消能率随流量的变化曲线。由图6可以看出，不同墩形的消能率随流量的变化趋势基本相同:先随流量的增大而增大，当流量增至800 m3/s左右时消能率达到峰值，而后随流量的增大呈减小的趋势。在小流量下，不同墩形的消能率比较接近，相邻两种形式的消能率差值较小;随着流量的增大，相邻两种形式的消能率差值逐渐增大，直到流量增至800 m3/s时，相邻两种形式的消能率差值大小趋于稳定。

图6 不同墩形时消能率随流量的变化曲线

比较发现:在大流量变幅范围内，本次试验设计的6种墩形的消能率从小到大依次为③、④、①、⑤、②、⑥，即在相同流量下，支腿梯形、前墩弧形的 T形墩形式⑥的消能率最高;支腿梯形、前墩矩形的T形墩形式②的消能率次之。同传统形式(形式①)比较，形式⑥、形式②、形式⑤的消能率均较大，由此得出在基本尺寸参数不变的前提下，T形墩前墩由矩形变为弧形(即形式①→形式⑤)或T形墩的支腿由矩形变为梯形(即形式①→形式②)，均能使相同流量下的消能率提高，且支腿形式的变化使相同流量下消能率提高的幅度更大。究其原因:①T形墩支腿由矩形变为梯形后，依然可以固定前墩，连接尾坎与前墩，但较矩形支腿增大了尾坎的阻水面积。当水流撞击前墩后，顺支腿斜面向下，遇到竖直的尾坎后与尾坎再次撞击，进行了二次消能，故梯形支腿T形墩的消能率较矩形支腿的T形墩消能率高。②前墩迎水面由矩形变为弧形后，同一股水流撞击前墩的时间与空间不同，且弧面对水流的反作用方向与矩形面不同。高速水流遇到矩形面消力墩后，位移方向与受到的反力方向一致，致使高速水流骤然跃起;而高速水流撞到弧面消力墩后，在回流过程中分散相互撞击已消耗部分能量，将撞击后的水流分散两侧，增加了水流的掺混作用，故前墩为弧形的T形墩的消能率较前墩为矩形的T形墩的消能率高。