ATS水利枢纽1#深孔放空排沙泄洪洞消能工优化研究

崔 忠

1 工程概况

ATS水利枢纽是塔里木河主要源流之一的叶尔羌河流域内最大的控制性山区水库工程，工程任务为在保证向塔里木河干流生态供水目标的前提下，承担防洪、灌溉、发电等综合利用。水库总库容22.49亿m3，正常蓄水位1820 m，最大坝高164.8 m，电站装机容量755 MW。

枢纽工程由拦河坝、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放空排沙洞、发电引水系统、电站厂房、生态基流引水洞及其厂房、过鱼建筑物等主要建筑物组成。挡水建筑物、泄洪洞及发电洞进水口为1级建筑物；发电引水隧洞、电站厂房为2级建筑物；生态基流引水洞及其厂房、过鱼建筑物为3级建筑物，临时建筑物为4级。

1#深孔放空排沙泄洪洞布置在右岸，进口布置在两条发电洞中间，根据地形条件和枢纽各建筑物布置，洞线在平面需要布置弯道，故设计为有压洞［1］。深孔放空排沙洞由引渠段、进口有压洞段、检修闸井段、有压洞身段、工作闸井段、出口无压洞段、消能段、明渠段组成（见图1）。

图1 1#深孔放空排沙泄洪洞纵断面图

2 正态水工模型

按照重力相似准则［2-6］设计模型，进行正态水工模型试验。

模型几何比尺Lr=37.89，各物理量的比尺如下：

混凝土糙率0.012～0.014，要求模型糙率为nm=0.0065～0.0076，有机玻璃糙率为0.007，采用有机玻璃做模型材料制作泄水建筑物满足要求。

模型范围：保证进口进流条件相似，出口以消力池出流水力条件相似为标准，取距水垫塘出口100 m左右。

模型制作：模型由供水系统供水，上游设平水段和稳水栅，保证进口水流平稳，模型采用下游量水。建筑物均采用有机玻璃加工制作。

3 模型试验结果分析

3.1 原设计方案试验结果

1#深孔放空排沙泄洪洞原设计方案（见图2）的泄流能力分析，试验值比设计值小0.89%[7]，二者基本一致，1#深孔泄流能力满足要求。

图2 1#深孔放空排沙泄洪洞消能工布置图

上游水位1820.00 m1#深孔放空排沙泄洪洞出口水流比较平稳，弧形工作门突扩未形成严重的冲击水翅。跌坎处形成稳定的底空腔，其长度约7.5 m，但有回水，最大淹没深度约0.6 m。无压段的流态平稳，与渥奇段结合部位的水流扩散未引起不良流态。水跃跃首发距消力池首端上游约40 m池内水跃旋滚剧烈，旋滚尺度与消力池尺度相当。水面比较平稳，消能效果较好。池内连接两侧边墙的栅条处在强烈的水流旋滚区，对栅条的稳定性造成一定的威胁，需要注意。尽管水面平稳，也会出现有撞击上部联系梁的情况，但不会对联系梁造成大的威胁。出池水流扩散导致折冲现象较严重。

3.2 取消消力墩与消涡栅

消力池梯形消力墩去掉后，池内流态发生显著变化，水跃旋滚尺度增大。池底没有消力墩的阻挡，几乎整个消力池范围都是水跃大尺度旋滚区。水面波动增大，水面大尺度波动。最大涌浪(波峰、波谷之差)约8 m。设置消力墩时的主旋滚区约占消力池的2/3。设置消力墩时涌浪约3 m。故消力墩应保留。但入池流速量级为12～13 m/s，消力墩本身的安全性应给以重视。

从消力池内流态看出，栅条(消涡栅)的作用明显。不设置消涡栅时，水面波动较大。水位1820.00 m情况下，水面撞击消力池上部联系梁。设置消涡栅时，水面波动较小，消力池上部联系梁基本不与水面接触或很少接触。故消涡栅应保留。但其本身的稳定性应给以重视。

试验结果表明，梯形消力墩和消涡栅的消能作用均非常明显，特别是对稳定池内流态，有很好的效果。

3.3 消力池变底板高程及跌坎组合试验

由于下层消涡栅在水体中可能存在比较严重的空化空蚀问题，及消能墩在较大的临底流速下自身的稳定和安全，故需考虑取消下层消涡栅及消能墩。取消消涡栅和消能墩后，消力池内流态及水力学指标（临底流速及脉动压力等）会增大，为优化消力池内流态并降低消力池内的水力学指标，探究合理的消力池体型，改变消力池的底板高程并加跌坎进行组合试验。

为探究消力池的最佳池深，在取消消力池下层联系梁和消能墩的情况下，将消力池底板高程不变（原底板高程1649.00 m）、底板降2 m（底板高程 1647.00 m）、底板降 4 m（底板高程1645.00 m）、底板降6 m（底板高程1643.00 m）与加不同高度的跌坎构成的不同体型的消力池进行试验研究。共进行了10组试验。消力池不同底板高程与跌坎组合见表1。

表1 消力池不同底板高程与跌坎组合表

不同消力池体型试验结果对比分析详见表2，由实验结果对比可以看出，消力池最大临底流速和最大脉动压力随着消力池底板高程降低而减小，且减小幅度越来越小，消力池底板高程越低消力池内流态越平稳，水面波动越小。消力池底板高程不变，跌坎高度增加消力池内最大临底流速减小，最大脉动压力增大，流态紊乱。无论是加跌坎还是降低底板高程，消力池最大临底流速较体型1均有所减小。降低消力池的底板高程对减小消力池的最大脉动压力都是有效的。消力池的底板高程不变加设跌坎消力池的最大脉动压力反而增大。

表2 不同消力池体型试验结果对比分析表

从流态、脉动压力、临底流速结果来看，原设计底板高程时，消力池内的脉动压力和临底流速均较大，消力池底板在原设计高程的基础上降低2 m、降低4 m、降低6 m临底流速和脉动压力都有加大改观，随着池底高程的降低池内水流流态平稳，临底流速和脉动压力减小。消力池底板在原设计高程的基础上降低2 m加2 m跌坎或不加跌坎，降低4 m加4 m、2 m跌坎或不加跌坎及降低6 m加4 m、2 m跌坎或不加跌坎，临底流速和脉动压力较消力池体型1均有较大幅度的降低。

3.4 消力池出口及尾渠段体型优化后试验结果

1#深孔放空排沙泄洪洞消力池出口及尾渠段的体型进行了优化（见图3），消力池尾部两侧边墙各开两孔、向两侧溢流，尾渠高程由1661.822 m降到1661.00 m、底宽由18 m增加到58 m，边坡坡比不变。

图3 1#深孔放空排沙泄洪洞消能工优化后布置图

消力池体型优化后消力池出口形成水面跌落，尾渠临底流速降低，仅在高水位（1820.0 m）时、产生较小范围的折冲水流，其他工况尾渠流态良好，水面比较平稳。

1#深孔放空排沙泄洪洞运行时，从水位1724.85 m～1820 m，随着水位的增大，消力池出口下游河床冲坑深度有增大的趋势，冲坑最深点向下游移动。最大冲刷深度6.52 m，冲坑最低点远离消力池冲坑护坦末端。

4 结论

通过水工模型试验可知，1#深孔放空排沙泄洪洞原设计方案泄流能力设计值与试验值基本一致。消力池原设计方案设置了消力墩和消涡栅，模型试验通过消力池是否设置消力墩和消涡栅进行实验对比，可知消力墩与消涡栅对消力池的效能效果影响很大，但消力池内水流比较紊乱，消力墩和消涡栅条本身存在安全风险。水工模型试验研究取消消力墩和消涡栅后，改变消力池的底板高程并加跌坎进行组合试验，探究合理的消力池体型。不同底板高程与加不同高度的跌坎构成的不同体型的消力池进行多组试验。随着底板高程降低效能率增加；相同底板高程增加跌坎，脉动压力先增大后减小。

模型试验对消力池出口及尾渠段的体型进行了优化，优化后消力池出口及尾水渠的水面衔接平稳，下游河床冲刷坑深度向下游移动，冲坑最低点远离消力池冲坑护坦末端。

[1]SL 279-2016，水工隧洞设计规范[S].2016.

[2]麦栋玲，黄智敏，陆汉柱，付波.某拦河闸底流消能工消能防冲试验研究[J].广东水利水电，2015(4).

[3]黄智敏，陈卓英，朱红华，等.低水头拦河闸下游消力池布置探讨[J].广东水利水电，2012(11).

[4]付波，黄智敏，陆汉柱，等.双捷拦河闸重建工程消能防冲优化试验研究[J].广东水利水电，2014(6).

[5]孙双科，柳海涛，夏庆福，等.跌坎型底流消力池的水力特性与优化研究[J].水利学报，2005，36(10).

[6]陈朝，毛舒娅，黄海艳，等.跌坎型底流消能工压力分布特性的试验研究[J].南水北调与水利科技，2011，9(1).

[7]ATS水利枢纽泄水建筑物水工模型试验研究成果[R].天津：天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，2011.