尾栅对嵌槽消力池消能效果的提升与参数优化研究

陈善卯

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 571100)

1 材料与方法

1.1 试验设计

此次研究以某在建水利工程为依托进行物理试验模型设计。该工程的大坝坝顶高程304.5 m，最大坝高65.5 m，坝轴线长198.0 m。其表孔泄洪洞布置在大坝右岸，其进口为WES堰型设计，堰顶高程为291.0 m，其设计洪水位为300.0 m，设计泄流量为330.0 m3/s，校核洪水位为303.36 m，校核泄流量为553.0 m3/s。泄洪洞主要由引渠段、控制段、洞身段、挑流鼻坎以及下游消力池和护坦等部分组成，长度为335.8 m[1-6]。

此次试验采用重力相似准则进行试验模型的设计[7]，结合工程的原始设计和场地因素，选择1∶50的几何比尺，并以此为基础计算获取其他物理量比尺，结果如表1所示。

表1 模型试验物理量比尺

1.2 模型制作

此次试验的系统主要由地下水库、水泵、高位水池、供水管道、电磁流量计、稳流箱、进水渠、模型试验区、尾水渠以及回水渠等几大部分组成，其结构示意图如图1所示。其中，闸阀和电磁流量计用于试验流量的测试和控制，稳流箱和稳流栅的主要作用是保证水流平稳进入试验区，模型试验区用于布置试验模型和进行相关参数测量。在试验过程中，利用水泵将地下水库的水输送至高位水池，通过供水管道溢流到试验渠道，通过闸阀和电磁流量计控制流量，通过稳流箱和稳流栅稳流后进入模型试验区，最后经过回水渠回到地下水库。

图1 试验系统结构示意图

模型的引渠段、控制段、洞身段、挑流鼻坎以及下游消力池均使用厚度为10 mm的有机玻璃板制作，其余部位利用PVC板制作，其糙率可以模拟混凝土的糙率，满足试验设计的具体要求[8]。整个溢洪道每隔1 m设置一个角钢框架结构，以保证模型的稳定性。

1.3 试验仪器与方法

试验中利用水位测针测量水深，测量精度为0.01 mm，满足水深测量精度。在测量过程中首先将水位测针放在水平架上，将测针轻触底板测量底面水深，之后移动测针测量表面水深，两者之差为该点水深值。

流速测量采用ADV超声多普勒流速仪和ZLY-I 手持智能型流速仪。对于流速较小、水深较浅的部位采用ZLY-I 手持智能型流速仪测量。

试验中的流量测量采用E-magC 型电磁流量计，其测量精度为0.2%，满足试验要求。

1.4 试验方案

为了分析尾栅对不同流量情况下消力池消能效果的影响，试验中结合背景工程的水文特征，设置15 L/s、20 L/s和25 L/s三种不同的上游来水流量。对于尾栅的参数，选择形状、宽度、高度、排距和排数5个主要参数进行分析。尾栅形状选择矩形、等边三角形和等腰梯形三种不同的截面形状，其中，矩形和等腰梯形截面的长高比均为2∶3，矩形长边与水流方向一致。等边三角形的高与水流方向一致，底边在下游方向。等腰梯形的高与水流方向一致，下底在上游方向，下底长为上底长的0.6倍。尾栅宽度为1.0 cm、1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm和3.0 cm共5种不同水平；高度设置3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm、4.5 cm和5.0 cm共5种不同的因素水平；排距设置4.0 cm、4.5 cm、5.0 cm、5.5 cm和6.0 cm共5种不同的因素水平；排数设置1排、2排、3排、4排和5排共5种不同的设置方式。为了减小模型试验量，采用固定4个参数值不变，对第5个参数不同水平的影响进行试验，根据试验数据计算不同方案、不同流量下的消能率，最终获得最优方案。试验中以没有尾栅设计的嵌槽消力池作为对比方案。

2 计算结果与分析

2.1 形 状

保持尾栅宽度2 cm、高度4 cm、排距5 cm、排数为3排4个参数不变，对不同尾栅形状方案进行模型试验。为了直观呈现不同尾栅形状对消能率的影响，绘制出不同尾栅形状消能率的柱状图，结果如图2所示。由图2可以看出，随着流量的增加，各方案的消能率均不断减小，这与工程经验一致，即下泻流量增大会导致消力池消能率下降。在流量相同的情况下，不同尾栅形状方案的消能率均显著大于对比方案，说明在嵌槽消力池下游设置尾栅可以提高消力池的消能率，具有一定的工程应用价值。另一方面，三种不同尾栅截面形状方案中，消能率最高的是等腰梯形方案，其次是矩形方案，消能率最低的为等边三角形方案。因此，等腰梯形方案最优，为推荐方案。

图2 不同尾栅形状消能率柱状图

2.2 宽 度

选择等腰梯形截面方案，保持尾槛高度4 cm、排距5 cm、排数为3排参数不变，对不同尾栅宽度方案进行模型试验。消能率随尾栅宽度的变化曲线如图3所示。从图3可以看出，随着尾栅宽的增加，消力池的消能率呈现出先增大后减小的变化趋势。当试验流量较小时，各方案的消能率差别相对较小，当试验流量较大时各方案消能率的差别相对较大。当尾栅的宽度为2.5 cm时消力池的消能率最高，为尾栅宽度的最佳值。

图3 消能率随尾栅宽度变化曲线

2.3 高 度

选择等腰梯形截面方案，保持尾槛宽度为2.5 cm、排距5.0 cm、排数为3排参数不变，对不同尾栅高度方案进行模型试验。消能率随尾栅高度的变化曲线如图4所示。从图4可以看出，在小流量试验方案下，消力池的消能率随着尾栅高度的增大呈现出先减小后增大的变化趋势，在大流量试验方案下，消力池的消能率随着尾栅高度的增大呈现出先迅速增大后趋于稳定的趋势。由此可见，如果消力池的泄流量较小，较低的尾栅高度即可满足消能要求，也可以节省工程投资。在流量较大的情况下，尾栅高度超过3.5 cm时对提高消力池消能率的作用有限。综合不同流量的试验结果，尾栅高度为3.5 cm的方案为最佳方案。

图4 消能率随尾栅高度变化曲线

2.4 排 数

选择等腰梯形截面方案，保持尾槛宽度为2.5 cm、高度3.5 cm、排距5.0 cm参数不变，对不同尾栅排数方案进行模型试验。消能率随尾栅排数的变化曲线如图5所示。从图5可以看出，在不同流量工况下，消力池的消能率随着尾栅排数的增加呈现出不断增大的变化特点，但是增大的速率不断减小。由此可见，增加尾栅的排数，可以有效增加消力池的消能率。从背景工程的试验数据来看，当尾栅排数<3排时消能率的增加幅度较大，>3排时增加的幅度十分有限。因此，考虑消能率和工程的经济性，尾栅排数以3排为最佳。

图5 消能率随尾栅排数变化曲线

2.5 排 距

选择等腰梯形截面方案，保持尾槛宽度为2.5 cm、高度3.5 cm、排数为3排参数不变，对不同尾栅排距方案进行模型试验。消能率随尾栅排距的变化曲线如图6所示。从图6可以看出，在不同流量工况下，消力池的消能率随着排距的增加呈现出先增加后减小的变化特点，当排距为4.5 cm时的消能率最大。因此，背景工程的排距设计为4.5 cm为最佳。

图6 消能率随尾栅排距变化曲线

3 结 语

采用科学合理的消能结构对提高水利工程消能设施的消能效果具有重要意义，是消能设计中需要研究和关注的重要方面。此次研究利用模型试验的方式，探讨了尾栅对嵌槽消力池消能效果的影响。试验结果显示，设置尾栅可以有效提升消力池的消能率，经过参数优化的尾栅方案在3种不同流量下的消能率与对比方案相比分别提高了5.46%、9.20%和12.05%，大流量工况下的优势十分显著，具有良好的工程应用价值。此次研究仅针对消能率这一指标展开讨论，在后续研究中需要进一步探讨尾栅对池内流速、流态以及空化作用的影响，以期获得更为准确和全面的结论。