扭面式消能墩在低水头泄水建筑物中的应用

黄肖

（鞍山水文局，辽宁鞍山114039）

1 研究背景

梨树园子水电站是一座以发电为主的小型径流式水电站，同时也是鸭绿江二级支流爱河梯级开发的第五级水电站[1]。电站坝址位于辽宁丹东凤城市石城镇梨树园子村，距离凤城市约25 km。梨树园子水电站设计库容1 800 万m3，装机容量为22 400 kW，工程按照百年一遇洪水标准设计，千年一遇洪水标准校核。梨树园子水电站位于低山丘陵区，大坝高度较低，属于典型的低水头水电站，同时受到气候因素和上游来水的影响，日常下泻流量较小，但是在汛期遭遇上游洪峰侵袭的情况下，下泻的单宽流量会迅速增加，呈现出水流形态复杂、佛氏数低的特点，这就给下游的消能建筑物设计带来较大的困难[2]。鉴于以往理论研究和工程实践，此类水利工程如果采用传统的T 型墩或六边形棱柱消能墩，容易出现消能效果差和墩后空蚀空化等缺陷[3]。基于此，本文以梨树园子水电站为工程依托，提出一种扭面式消能墩，并通过试验研究的方式验证其设计的合理性和工程应用价值。

2 研究方案

2.1 扭面式消能墩的制作

扭面式消能墩的设计原理是将消能墩的两侧设计为扭面构成的凹槽形态，当下泻水流通过凹槽过程中，由于受到墩体的阻挡作用而分成多股水流[4]。其中，一部分水流受到扭面的作用而产生回旋式漩涡，与外侧向下流动的水流相互作用形成比较剧烈的紊动效应，从而大幅提升消能墩的消能效果；此外，受到消能墩顶部扭面的作用，中部被挑起的水流与两侧水流产生摩擦也能形成水涡，从而消耗部分能量[5]。结合工程背景资料和试验模型研究水槽的大小，扭面式消能墩的初始设计模型尺寸为6.2 cm×8.0 cm×10.5 cm。侧面和上边缘线均采用方程为y=x2的二次抛物线面相接。根据CATIA 三维建模结果进行实物的3D 打印，获得图1 所示的实物模型。

图1 扭面式消能墩模型实物图

2.2 试验系统

下泻水流流态是十分复杂的流体力学问题，理论和试验研究相结合是解决此类问题的重要方法，因此，此次研究利用模型试验的方式展开[6]。根据试验目的和要求，整个试验系统由水槽、水箱、水泵以及控制台组成。其中，水槽的长、宽、高分别为1 000，30 和50 cm，其中槽身由有机玻璃制作，可以有效模拟混凝土泄水建筑物的糙率[7]。消能墩固定在距离水槽尾部330 cm 处的水槽底部；水泵由伺服电机控制，可以提供不同流速要求下的水槽循环水流，水槽的电子控制台可以实时显示和控制水槽内的流量大小，实现流量的精确控制。试验过程中的水深利用水位测针测量；消能墩周围的流速分布利用PIV 粒子图像测速仪测量和分析计算[8]。

2.2 试验工况

鉴于低水头电站在运行过程中下泻流量的变化较大，不同流量条件下的消能墩周围流场特点是研究测试的主要内容。因此，研究中设置低流量9 L/s 和高流量15 L/s 两种不同的流量水平进行试验，以模拟水电站正常运行和汛期大流量泄洪工况，选取消能墩的左侧、右侧以及中部3 个位置进行拍摄，以充分分析消能墩的综合消能效果。

3 试验结果与分析

3.1 二维流畅分析

对不同流量条件下的消能墩左侧PIV 拍摄所得图片进行数据处理和分析，由获得的流线分布图可知，在9 L/s 流量下，消能墩上部的流线比较平顺，说明水流比较顺畅，在靠近墩体的部位，水流的流线受到墩体斜面的影响出现比较明显的浮动，方向也发生了一定的转折，说明该部位存在比较强烈的水流紊动，水流的能量也随着得到消耗，显示出比较明显的消能效果；在15 L/s 的大流量条件下，消能墩上部的流线仍旧比较平顺，在靠近墩体的部位，流线出现了比较明显的弯曲，并在墩后部位出现了十分明显混乱，说明产生了十分强烈的水流紊动，具有十分明显的消能效果。

对不同流量条件下的消能墩中部PIV 拍摄所得图片进行数据处理和分析，由获得的流线分布图可知，在9 L/s 流量下，消能墩后的区域流线弯曲成旋涡状，水流紊动强烈，能量被大量消耗，原因是水流与墩后的凹面碰撞造成方向偏转和回流；在15 L/s 流量条件下，墩体顶部的流线比较平顺，说明水流可以沿着斜面稳定向下游运动，而墩后部位的漩涡范围更大，说明水流的紊动作用更为强烈，消能效果十分明显。

对不同流量条件下的消能墩右侧PIV 拍摄所得图片进行数据处理和分析，由获得的流线分布图可知，在9 L/s 流量下，消能墩顶部的流线与槽底平行且比较平顺，说明水流能够平稳下泻，下层水流出现比较明显的分层且紊动作用增强，有利于能量消耗；在15 L/s 流量下，有3 处区域的流速较周围区域明显偏大，由于流速不同造成水流的剪切作用达到消能目的。

3.2 垂向流速分析

为了进一步研究消能墩对水流的作用和调整机理，在消能墩的墩后区域提取横坐标为20，40，60，80 mm 等4 个不同断面的纵向流速，研究消能墩不同部位的垂向流速分布特征，对扭面式消能墩的消能效果进行评价。

图2 是消能墩左侧9 L/s 和15 L/s 流量条件下的4 个断面垂向流速分布图。由图2 可知，消能墩左侧的垂向流速表现出比较明显的“S”型特征。在消能墩墩体顶部以上的区域，水流的纵向流速变化并不明显，而消能墩墩体以下的区域，水流的纵向流速变化相对比较显著。究其原因，主要是该部位的墩体结构发生了比较明显的变化，特别是高度为40～70 mm 的区域，由于消能墩的墩体向外突出，造成该部位水流的流速明显减小，而上下两侧的过水面积明显减小，因而流速增大比较明显。此外，不同断面相比较，越靠近消能墩的断面其垂向流速的变化量越大，说明越靠近墩体流速的变化就越剧烈，而水流紊动的能量消耗作用就越强。

图3 是消能墩中部9 L/s 和15 L/s 流量条件下的4 个断面垂向流速分布图。由图3 可知，在消能墩墩体顶部以上的区域，水流的纵向流速变化图并不明显，而消能墩墩体以下的区域，水流的纵向流速变化相对比较显著，垂向流速在0 m/s 附近交替徘徊。此外，不同断面相比较，越靠近消能墩的断面其垂向流速的变化幅度越大，越远离墩体，其垂向流速的变化幅度就越小。这说明，靠近墩体部位的水流变化剧烈，而水流紊动的能量消耗作用就越强。

图2 消能墩左侧不同流量垂向流速度分布图

图3 消能墩中部不同流量垂向流速度分布图

图4 是消能墩右侧9 L/s 和15 L/s 流量条件下的4 个断面垂向流速分布图。由图4 可知，消能墩墩体顶部以上的区域，水流的纵向流速变化并不明显，而消能墩墩体以下的区域，水流的纵向流速变化相对比较显著。总体而言，消能墩右侧的垂向流速表现出比较明显的“S”型特征。特别是高度为60～90 mm的区域，由于消能墩的墩体向外突出，造成该部位水流的流速明显减小，而底部由于过水面积明显减小，造成流速增大比较明显。此外，同左侧和中部类似，越靠近消能墩的断面其垂向流速的变化量越大，说明越靠近墩体流速的变化就越剧烈，而水流紊动的能量消耗作用就越强。

图4 消能墩右侧不同流量垂向流速度分布图

4 结论

此次研究利用实验室模型试验的方式，以梨树园子水电站为工程依托，研究了扭面式消能墩在低水头水利工程中的消能效果，获得的主要结论如下：

1）通过扭面式消能墩左侧和右侧的二维流场分析，当下泻水流在经过消能墩两侧的扭面时，存在十分明显的水流分层现象，且部分水流受到墩体结构的扰动作用，流向发生改变甚至翻转，继而差生了十分明显的上下层流速差和回旋水流，达到消能目的。

2）对扭面式消能墩中部的流场分析显示，部分水流受到墩体顶部曲面的作用被挑起，并未被挑起的水流之间产生比较明显的碰撞与摩擦，进而产生十分明显的水流紊动，达到了消能目的。

3）从扭面式消能墩的垂向流速分析结果来看，墩体两侧的垂线流速呈现出比较显著的“S”型特征，流速分布不均且变化梯度较大，因此造成不同流速的水流相互剪切做工，达到了水流能量的大量消耗。

综合以上分析，扭面式消能墩具有良好的消能效果，可以在低水头水利工程泄水建筑物设计建设中采用。