吕会娇 禹胜颖 袁淮中 苏 通
某水库是某地区城乡饮水安全水源工程主调节水库,总库容2 533万m3,其中调节库容2 300 万m3。泄流建筑物主要由输泄水塔、泄水隧洞及泄空管道三部分组成。
输泄水塔位于水库左岸,正常供水水位同水库正常蓄水位1 874.50 m,最低供水水位同水库死水位1 837.00 m。取水塔进水侧在1 862.00、1 849.00 和1 836.00 m 分别设置3 扇进水闸门,取水塔出水侧设控制闸门1 扇。泄水隧洞总长240 m,为DN2 200 mm 钢筋混凝土结构,进口底部高程为1 831.50 m,出口底部高程为1 829.10 m。泄水隧洞后接243.3 m 长DN1 600 mm 泄水钢管,进口底部高程为1 829.10 m,出口底部高程为1 809.53 m。
出口消能布置:DN1 600 mm 泄空管后按3 根DN1 000 mm 分支管,分支管垂直伸入消力池中,分支管末端设消能孔,让水流喷射于消力池中进行消能,再经二级消力池与尾水渠相接。
对于管道出口的水流,其运动主要是受重力和惯性力的影响,所以按弗汝德数相似准则即重力相似准则设计,采用正态模型。根据试验设备所能提供的最大水头,并结合市场上可选的有机玻璃管直径情况及试验要求,选定模型比尺为λL=λH=16,流量比尺:,流速比尺糙率比尺:,时间比尺:
模型范围从消能总管末端前约30 m 开始,至消能建筑物末端结束,全长约150 m。原型泄水管及支管均为钢管,要求模型糙率为0.006 9,模型采用有机玻璃管制造,糙率为0.008;消力池采用水泥抹面,糙率为0.008 8;流量采用电磁流量计量测;流速采用多功能智能流速仪测量;水位测量采用水准仪和活动测针。模型的放线精度及制作安装精度符合SL 155—2012《水工(常规)模型试验规程》的要求,整个试验过程也按照上述规范进行。
在4 种泄洪工况(Q=30 m3/s、Q=20 m3/s、Q=15 m3/s、Q=10 m3/s)条件下,通过对原设计体型水流流态、水面线、沿程流速分布以及消能情况的试验成果分析,原设计方案存在以下几个问题:(1)支管末端开孔的竖管喷射后消能效果不佳,出水孔口参数设计不合理;(2)消力池内的流态紊乱,消能效果不理想,尾水渠内流速较大。
3.2.1 消能器出水孔口参数的确定
支管长1.8 m,孔径为1 m,采用梅花形布置。支管上出水孔口选择7 mm、9 mm 孔径(模型)进行多组调试。经过多次试验分析,采用出水孔径7 mm 为最佳,确定流量为30 m3/s 时的消能器支管上出水孔口参数见表1。开孔方式如图1 所示。
表1 消能支管出水孔口参数表
3.2.2 消力池的优化
(1)取消第一级消力坎,在此处安装两个导流墩,两导流墩间隔处安装消能格栅,导流墩上安装盖板,扭面段及下游渠道安装消能墩。
(2)加高第二级消力池坎至1.7 m。
图1 竖管出水孔口布置图(单位:mm)
3.3.1 各支管分流比
各封闭支管中流量用传统方法不易量测,本试验采用超声波流量计进行量测。泄放30 m3/s 的流量时,经量测各支管流量总和与控制流量的电磁流量计显示数据一致。3 只支管的分流比为1∶1.3∶1.4(8.11∶10.54∶11.35,单位:m3/s),靠近总管末端值最大。
3.3.2 流速、流态及水面线
泄放30 m3/s 的流量,库区水位稳定后,测得水库水位低于正常蓄水位。对消力池及尾水渠的流态、流速和水面线进行了量测。图2 为优化方案的水面线和流速分布图。
图2 优化方案的水面线和流速分布图
水流经各支管末端开孔的竖管喷射出后,射出水流在水下紊动碰撞,消力池中水位迅速升高,消力池内水面波动较大;消力池内最大水面高程达1 813.74 m,第二级消力坎坎上水头1.22 m。水流在二级消力坎后形成水跃泄向下游。两侧边墙满足最高水位要求。
图3 为实测扭面下游16 m 断面处流速分布图。增加消力墩后,由于渠道加糙使水深增大,下游渠道流速明显减小,实测扭面下游16 m 处最大流速为3.80 m/s,尾水渠内流速分布呈现两侧大、中间小,表流速大、底流速小的特点。
试验证明,增加导流墩、消能格栅以及消能墩,可有效降低渠道中的流速。
3.3.3 消能率
图3 扭面下游16 m断面处流速分布图(单位:m/s)
通过试验可以看出:管道压力水流通过喷孔淹没喷射出流,在消力池内水流剧烈紊动碰撞,消去大部分能量,为计算消能率,以二级消力池底板(高程为1 810.13 m)为基准面,对测量断面和第二级消力坎断面列能量方程,求得的消能效果见表2。
表2 消能效果表
从以上试验结果可以看出:压力管道的水流通过支管与消力池由90°竖向弯管相连后,多喷孔淹没对称向四周喷射出流,水流在局部范围内紊动碰撞,在消力池内消耗了大部分能量,同时增加消能墩后的消能效果有所提高,消能率达到85%以上;由于喷孔射流在消力池内旋滚的相互作用,亦能有效减少对消力池固壁的冲刷。
(1)水库在压力管道出口采用多喷孔无控制泄流的消能方式,结构简单,消能效率高,可行性强。
(2)压力管道的水流通过支管与消力池由90°竖向弯管相连后,多喷孔淹没对称向四周喷射出流,水流在局部范围内紊动碰撞,在消力池内消耗了大部分能量,消能率达到85%以上,能保证水流平稳地和下游衔接。
(3)通过采取增加导流墩、消能格栅以及消能墩的优化方案,提高了消能效果,有效降低了下游渠道中水流流速。
(4)水库压力管道出口3 只支管的分流比为1∶1.3∶1.4,靠近总管末端值最大。消能器喷孔面积与支管截面积比为1.32,与展开面积比(开孔率)为18.3%。
(5)经研究分析,开孔率不变,随着流量的减小消能率随之降低。