大岩子水库消力池试验优化设计研究

白丽娟

大岩子水库消力池试验优化设计研究

白丽娟

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

大岩子水库消力池体型物理模型试验发现其长度和高度无法满足运行要求，对消力池体型进行了模型试验研究，经4次模型修改实验，结果认为，消力池长度50 m，尾坎高度6 m，可满足校核和设计工况下消能和水面线要求，说明调整后的溢洪道体型合理，为类似工程提供借鉴。

消力池；模型试验；数值模拟；分析研究

溢洪道、导流洞、泄洪洞等泄水建筑物是水利工程枢纽中的重要组成部分。在高水头、高压力作用下，其水体通常是高速水流，如末端无消能设施，高速水流会对下游河床产生淘刷。甚至造成建筑物失稳破坏，因此，在泄水建筑物末端通常修建消力池，以耗散冲入下游的水体能量[1]。设计经验发现，消力池投资往往占到泄水建筑物总投资的1/3，因此，消力池体型设计的合理性，直接关系到工程的投资，体型过大，工程投资高，造成浪费，体型小，结构不安全，消能不充分[2]。因此通常采用水工模型试验可以来对其体型进行实测验证，保证结构安全的基础上又节省工程投资。

1 工程概况

大岩子水库位于新疆维吾尔自治区托克逊县境内，是三塘沟河及托克逊县“两河”流域的重要控制性工程，距乌鲁木齐市239 km。溢洪道采用直线布置，堰轴线与大坝轴线夹角为132.58°，为开敞式正槽岸边溢洪道，设闸门控制。溢洪道包括进水渠、控制段、泄槽和消能防冲设施四部分组成，总长298.3 m。控制段溢流堰利用3扇8m×5.5 m（宽×高）的弧型闸门控制，控制段后40 m为渐变段，渐变段后等宽20 m，泄槽采用矩形断面，纵坡25.9%，消能防冲设施采用底流消能。输水段末端接消力池，消力池长度为30.0 m，深度为4.8 m。消力池后接海漫，长度为20.0 m，其中水平段长10.0 m，缓坡段长10.0 m，坡度i= 0.1。海漫末端处用抛石进行回填。消力池段边墙高10.0 m，海漫段边墙高6.0 m。

2 试验模型设计与制作

模型按重力相似准则设计，采用比尺Lr＝60；流量比尺Qr= Lr5/2=27885.5；流速比尺Vr=Lr1/2=7.746；时间比尺Tr=Lr1/2=7.746；糙率比尺Nr=Lr1/6=1.979。模型的制作是根据设计院提供的总体平面布置图进行模型设计。模型制作范围为：上游库区长300 m，宽度186 m；下游河道从消力池向下游长约320 m，宽度120 m。模型整体布置见图1。

图1 模型整体布置图

3 模型试验

3.1 原设计方案试验

原方案对溢洪道的泄流能力、流态、水深、流速及压强等进行了试验，试验表明，原设计方案通过调整进口导墙体型，改善进口水流流态，使水流更加流畅，能达到下泄流量的目的。溢洪道水面线较平稳，无折冲水流出现，边墙高度余幅较大。通过增加掺气槽，从第4级台阶水流掺气充分，台阶水流呈乳白色，掺气效果较好。

对消力池来说，由于水流进入消力池没有沿渠底板通过底流流态进入，而是以射流流态进入消力池，此时消力池已经成为一个消能水垫塘[3]，并且水垫塘的边墙高度不能满足消能水深要求，消能不充分，因此应对消力池进行加长和边墙加高，由于消力池消能不充分，出口渠道长度不足，故消力池出口水流对下游河道的冲刷范围必然较大，应对其进行调整。

3.2 消力池体型修改

新设计消力池体型的长度和深度都需要调整。表现为没有形成底流消能流态，水流在消力池尾坎处形成挑射水流流态，说明水流没有从急流流态完全过渡到缓流流态，故该消力池体型不适应校核工况，需要调整体型。

3.2.1 修改一试验

修改一采用将消力池长度从40 m加长到60 m，消力池深度保持不变，修改的目的是为了让水流进入消力池后，能够有足够的距离让水流在消力池内发生能量交换，从而达到充分消能的目的，尾坎高度保持4.8 m不变。

通过对校核洪水位和设计洪水位两工况的试验，消力池依然不能适应两工况的消能要求，说明水流进入消力池流速过大，单独采用加长消力池的方法是不能解决消能问题，还应该采用增加消力池深度措施，以增加水流淹没深度，从而达到充分消能的目的。

3.2.2 修改二试验

由于水流在修改一消力池体型内的淹没深度不够，水跃跃首远趋，因此试验修改二将消力池体型消力池尾坎调整抬高到8 m，池长60 m依然保持不变。从流态看，校核洪水位基本形成了底流消能水流流态，但由于消力池下游出口水位低，尾水渠流态不是特别理想。设计洪水位运行工况，消力池流态完全形成较为稳定的水流流态，并且从试验观察的流态看，该工况的消力池还有缩短的空间。因此，试验对消力池体型再进行进一步的优化，以找到更优的体型。

3.2.3 修改三试验

修改三是将消力池尾坎保持8 m不变，消力池长度缩短到50 m，以验证该体型能否满足设计洪水位的消能要求，同时也判断校核洪水位的消力池水流流态。从流态看，在校核洪水位时，水跃全部位于消力池内，由于水流波动强烈，没有形成稳定的底流消能水流流态，但也没有出现远趋射流流态。对设计洪水位来说，可以形成底流消能流态，水流到达消力池末端基本稳定，如果依照设计洪水位作为消力池体型的判断标准，该体型可以作为推荐体型。

3.2.4 修改四试验

为了尽量的减小工程量，降低工程造价，试验在修改三的基础上，又进行了修改四的体型优化试验，修改四是将消力池尾坎调整到6 m，消力池长度50 m不变。目的是要找到能确保设计洪水位，下泄水流能完全形成底流消能水流流态的最小消力池体型。

4 试验结果分析

修改一采用将消力池长度从40 m加长到60 m，消力池深度保持不变，尾坎高度保持4.8 m不变。修改二将消力池体型消力池尾坎调整抬高到8 m，池长60 m依然保持不变。修改三是将消力池尾坎保持8 m不变，消力池长度缩短到50 m，修改四是将消力池尾坎调整到6 m，消力池长度50 m不变。各个体型消力池尾坎处的水面最大深度汇总见表1。

通过对新方案试验结果的分析，决定采用上述修改四方案作为设计采用体型，即消力池尾坎高6 m，消力池长度50 m，消力池底板从原来的857.38 m高程降低到856.18 m高程，消力池起点桩号由0+264.63变为0+268.23，向下游移动3.6 m。

消力池的体型通过以上试验已经确定了推荐体型，但对于消力池进口上游的1∶3陡坡段来说，水流在1∶3陡坡上游存在脱离渠底现象，在测验数据上表现为该段压强分布存在负压强。其原因是水流沿输水渠道向下游流动，到达陡坡时，渠底突然向下转折，而水流由于惯性作用，尚不能完全和陡坡底板吻合，故产生脱壁而引起负压[4]。对校核洪水位和设计洪水位两工况来说，试验测得的陡坡段沿程压强见表2。

表1 新设计方案各个修改体型消力池尾坎处最大水深汇总表

表2 消力池降低1.2m方案1∶3陡坡段各工况沿程压强汇总表

图2 消力池推荐体型试验

表3 修改1∶3陡坡连接为抛物线后的沿程压强分布表

从表2可以看出，校核工况其负压区范围约在1∶3陡坡起点0+214.63～0+219.81区间，模型实测最大压强为C1测压管位置-1.73×9.8 kPa；设计工况负压区范围要比校核略小，模型实测最大压强为依然为C1测压管位置-0.17×9.8 kPa。按照水力学的要求，水流沿溢洪道下泄时，应尽量避免出现负压，从而提高泄水建筑物的抗空化能力。故试验对该区段也进行体型优化，使溢洪道体型更趋合理。

参考以往已经完成的模型试验资料[5-6]，结合本工程的具体特点，在保持输水渠道和1∶3陡坡位置不变，只对过渡段采用抛物线体型将输水渠道和1∶3陡坡进行连接，模型试验抛物线采用Y=0.00541566X2方程。

通过对该抛物线修改体型的试验观察，其水流流态明显顺畅，达到修改的目的。通过实测抛物线段的沿程压强分布，也没有出现负压强，证明修改后的体型比修改前更加合理，满足工程泄流要求，校核洪水位和设计洪水位的沿程压强实测资料见表3。最终推荐方案消力池体型见图2。

5 结语

通过4次模型试验的修改，确定了消力池的长度和尾坎高度，试验观测发现，修改后的消力池流态稳定，边墙高度满足要求，池内无负压产生。物理模型试验发现了设计中不足，并提出修改意见，验证了消力池体型的合理性，为建筑物安全运行提供保障。

泄水建筑物的水工模型试验是验证泄水建筑物体型的最有效的措施，通过物流模型试验，可模拟建筑物与地形结合的真实情况，验证泄流能力，观察水面流态，实测面部压强等，给设计提供有利参考，保证泄水建筑物甚至坝体安全。

[1]孙双科,柳海涛,夏庆福,王晓松.跌坎型底流消力池的水力特性与优化研究[J].水利学报,2005,10:1188-1193.

[2]韩守都,刘韩生,吴宝琴.布仑口水电站消力池尾坎位置模型试验[J].水利水电科技进展,2012,01:62-64.

[3]刘璐,张建民,余飞,张法星.重力坝下游宽尾墩和消力池联合消能工水力特性试验研究[J].水力发电学报,2012,02:49-55.

[4]胡小禹,张建民,余飞,张祖新.消力池渐变段体型对消能效果的影响[J].水电能源科学,2012,11:85-87.

[5]褥勇伸,廖华胜,李连侠,陈书燕,李天翔.浅水垫消力池的数值模拟与实验研究[J].水力发电学报,2010,02:36-41+126.

[6]高鹏,杨永全,邓军,张建民.多孔淹没出流消力池复杂流态分析[J].四川大学学报(工程科学版),2006,05:70-75.

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2016-12-10

白丽娟（1983-）,女，新疆哈密市人，工程师，主要从事水利水电工程勘测设计研究等工作。