T型墩对消力池消能效果影响的模型试验与体型优化研究

邓 燕

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局开都-孔雀河管理处解放二渠管理站，新疆 库尔勒 841000)

某水电站属于典型的河道式径流电站，装机总容量为750 MW，兼有防洪和灌溉功能，属于综合性小Ⅱ型水利工程，主要水工建筑物有混凝土重力坝、电站及附属水工建筑。电站的大坝为碾压混凝土重力坝坝型设计，坝轴线长231 m，坝顶宽8.0 m，坝基高程574.0 m，坝顶高程603.5 m，最大坝高29.5 m。其中，溢流坝段主要由进口段、控制段、泄槽段、消力池段以及出水渠段五部分组成，设计洪水流量为495.05 m3/s，校核洪水流量为946 m3/s。在水利水电工程施工过程中，泄流建筑物中的高速水流往往蕴含着较大的动能，不仅会威胁泄水建筑物本身的安全，还会对下游的河道和河床造成显著的空蚀和冲刷破坏[1]。显然，仅凭消力池实现下泻水流的消能，需要较大的设计深度，需要大幅增加施工成本和难度。因此，在电站的设计中拟采用T型宽尾墩-消力池联合消能工，提高消能效果[2]。目前，消力池 T型墩多采用矩形形状，且布置形式比较单一，存在较大的优化设计空间[3]。基于此，本次研究以电站消力池为工程背景，利用模型试验的方法展开消力池T型墩体型优化研究，以便为某电站消力池设计提供必要的支持和借鉴。

1 模型试验设计

1.1 模型设计

图1 模型的平面布置示意图

1.2 模型的制作

为了便于进行水流流态的观测，模型的进口段、泄槽段以及出口消能段的侧墙的均采用厚度为8 cm的有机玻璃板制作，而控制段以及泄槽段和消力池的底板则采用厚度为10 cm的PVC塑料板制作，以保证模型的稳固性[6]。溢洪道上游的库区部位采用混凝土砖砌筑，外表面用C25混凝土砂浆抹面压光，退水渠段用素混凝土制作，并在表面粘贴厚度为5 mm的有机玻璃板，以模拟该段的糙率[7]。消力池的尾坎采用PVC板制作模块并粘合而成。为了达到模型和实际工程的几何相似性，在模型制作完毕之后，对各部位的几何尺寸和高程进行必要的测量检查，同时对模型的循环系统进行必要的检验。在正式试验开始前对模型进行试水试验，对存在漏水和渗水的部位进行必要的粘合修复[8]。此外，模型制作所使用的PVC板和有机玻璃板的糙率与模型要求基本相当，在相似性误差的控制范围之内，因此模型的设计和制作均满足模型试验的相关要求，可以用于下一步的试验研究。

1.3 试验方法

在模型试验过程中，需要用到的仪器有流速仪、测针、量水堰、毕托管、钢板尺以及测压管，拥有试验过程中各种水力参数的测量。具体而言，在模型的回水渠末端设置直角三角形量水堰，测量过水流量；利用钢板尺测量沿程水深数据，由于消力池内有水跃产生，水流的紊动作用比较强烈，因此水面线的浮动较大，在水深测量过程中需要在同一测点停留30 s，在水面停留2/3时间的数值作为该测点的水深数据；流速的测量利用测压管的水头差计算获取[9-10]，公式为：

(1)

式中：v为测点流速，m/s；Δh为测压管水头差，m。

在测量过程中，每个测点连续记录三次数据，以其均值作为流速的最终测量结果。在模型试验过程中，根据消力池的跃前和坎上水深、流速、流量以及两端面的高程，即可计算获取消力池的消能率，通过T型墩消力池的消能率的对比分析，对不同体型和布置形式的T型墩的消能效果进行评价[11-12]。

2 模拟结果与分析

2.1 消力板的影响结果分析

为了研究消力板对T型墩消能工消能效果的影响，研究中在无消能板的原始设计方案基础上，在T型墩的两个迎水面全部设置消力板。消力板与T型墩的前墩固定在一起的部分应水流防线安装凸起的部分，后部则与T型墩的前墩相连，扩展部分设计为40°的倾斜角度，厚度为前墩高度的1/4，也就是1.0 m[13-15]。

利用上节设计的模型，对消力池内结构进行局部调整，在不同泄流量条件下进行模型试验。利用试验数据，对有无消力板两种工况下的泄水结构水力特征进行计算，获得水跃高度和消能率与泄流量之间的关系，结果如表1所示。由表中的计算结果可知，在所有的情况下，设置消力板可以显著降低水跃高度同时提高消能工的消能率。因此，设置消力板可以提高消能效果，建议在工程设计中采用。

表1 有无消力板消能特征计算结果

2.2 T型墩位置影响的计算结果与分析

鉴于T型墩的支腿长度与消力池的池长、前墩边缘与消力池进水口的距离以及前趾长度之间具有线性关系，因此研究中以支腿长度作为T型墩位置的主要表征量，结合工程的设计资料，在添加消能板设计方案的基础上，提出11 m、13 m和15 m三种不同的支腿长度，并结合不同支腿长度对消力池内结构进行局部调整，在不同泄流量条件下进行模型试验。利用试验数据对不同泄流量水平下的消能率进行模拟计算，结果如图2所示。由图可知，在各种泄流量水平下，支腿长度为11 m时的消能率最低；当泄流量较大接近校核流量时，支腿长度13 m时的消能率最大；当泄流量相对较小，接近设计流量时，支腿长度15 m时的消能率最大。虽然东北地区的水利工程，一般会处于小水状态，但是受当地气候特征的影响，也不排除出现较大洪峰的可能性，因此水利工程设计必须要将安全放在突出地位。同时，减小支腿长度还有利于降低施工成本，所以12 m的支腿长度应该为消能效果最佳的设计方案。

图2 不同支腿长度消能率随泄流量变化曲线

2.3 T型墩墩型影响的计算结果与分析

前文指出，目前的T型墩墩型设计均为矩形形状，分析认为其他形状的墩型或许可以取得更好的消能效果。基于此猜想，在添加上节最优位置的前提下，结合T型墩前墩和后墩的不同型式设计，获得如表2所示的墩型计算方案表。

表2 不同墩型设计表

利用上节设计的模型，对消力池内结构进行局部调整，在不同泄流量条件下进行模型试验。利用试验数据获得不同墩型、不同流量水平下的消能率，结果如图3所示。由图可知，各墩型消能率随泄流量的变化规律基本一致，均为线增大后减小。在流量低于800 m3/s的情况下，消能率随着泄流量的增加而增大，当流量高于800 m3/s的情况下，消能率随着泄流量的增加而减小。从不同的墩型对比来看，本文提出的6中T型墩型式按照消能率的大小排列顺序为：墩型6、墩型2、墩型5、墩型1、墩型4和墩型3。由此可见，无论在何种泄流量水平下，墩型6的消能效果均为最佳，为推荐墩型设计。该墩型的前墩迎水面为弧形，可以有效改善该部位的水流流态，并在凹陷部位形成絮流，消减一部分水流能量；梯形的支腿可以使尾坎的横截面积增大，显著增加了阻水所用，因此消减的能量也明显增加。上述两方面的作用，使墩型6获得了较高的消能率。

图3 不同墩型消能率随泄流量变化曲线

3 结语

此次研究以某水电站为工程背景，利用模型试验的方法对T型墩的体型设计对消力池消能效果的影响进行试验研究，获得的主要结论如下：

(1)设置消力板可以提高消能效果，建议在工程设计中采用。

(2)当泄流量较大时，支腿长度13 m时的消能率最大；当泄流量相对较小时，支腿长度15 m时的消能率最大。综合考虑水利工程的安全性和工程成本，建议支腿长度设计为12 m。

(3)采用前墩梯形、后墩弧形的T型墩墩型消能率最高，可以获得最佳消能效果，建议在工程设计中采用。