某水库溢洪道消力池消能墩墩型和位置优化研究

桂吉顺

(九江市科翔水利工程监理有限公司，江西 九江 332000)

1 工程背景

某小型水库建成于20世纪70年代，是一座以防洪和灌溉为主，兼有其他诸多功能的小(1)型水利工程。水库的设计库容为532万m3，兴利库容为235万m3。工程建成以来，在保证下游防洪安全、提高下游城区供水安全方面发挥出重要作用。但是，经过多年的运行，工程本身的病险问题也日渐突出，亟待进行除险加固。在除险加固工程的初始设计方案中，溢洪道的总体布置基本保持不变，主要以钢筋混凝土重新衬砌混凝土底板，拆除重建并加高边墙。受到工程现场地形和地质环境等因素的影响，消力池的池长与加固前的设计长度相同，由于防洪设计标准的提高，传统的挖深消力池已经不能满足效能需求，因此需要采用在池内设置消能墩的方式解决[1]。基于此，此次研究通过室内模型试验的方式，探讨消能墩的不同墩型和具体的位置对消力池消能效果的实际影响，以期为工程设计提供建议。

2 试验设计与方法

2.1 模型设计与制作

根据试验场地和设备因素，按照重力相似性准则进行试验模型设计，确定模型的长度比尺为1∶50[2]。根据实验任务和制作要求，确定模型的模拟范围为溢洪道库区150m和溢洪道下游至出水渠海漫段。结合模型的几何比尺，换算确定模型的其他水流物理量比尺如下：模型的流速比尺为7.071；模型的流量比尺为17677.67；模型的糙率比尺为1.919。

为了便于观测试验过程中水流的实际流态，试验模型的侧墙均采用厚度为8mm的有机玻璃制作，制作的误差控制在0.2mm以内。为了保证模型的稳固性，溢洪道各段的底板均采用厚度为10mm的PVC塑料板制作。溢洪道的库区部位采用水泥砖和水泥砂浆砌筑，外表面利用C30水泥砂浆抹面，最外层涂刷防水层，防止渗水。消力池下游的退水渠利用素混凝土制作，并在其表面粘贴厚度为5mm的有机玻璃板，以满足糙率的相似性[3]。消能墩模型利用PVC板制作，利用四氢呋喃调和PVC粉末黏合。

2.2 试验仪器和方法

试验中所需要的仪器有流速仪、测针、量水堰、压力传感器、毕托管、钢板尺、测压管。利用上述仪器可以准确测定试验过程中的水深、流速、压力等水流特征参数和数据。

试验中在模型回水渠的末端设置直角三角形量水堰，测量过水流量[4]。水跃高度和水深的测量利用钢板尺，由于水跃的存在，水流紊动十分剧烈，造成水面的浮动量相对较大，因此在测量过程中需要在测点部位停留30s，取水面的最高值和最低值确定水面的浮动范围，并取水面在钢板尺停留2/3时间部位的数值作为该部位的水深试验数据[5]。

在流速测量过程中，直接将毕托管、测针插入水中的测点，使测针顶端的小孔正对水流方向，连接测针上部两根测压管的水头差值即为所测数据，然后可以计算出测点部位的流速[6]。在测量过程中，每个测点测定的时间固定为30s，测量每个测点时均需要连续记录三次数据，以其均值作为最终测量结果，以减小试验误差。

2.3 计算方案

在消力池中增添消能墩，可以增强水流的紊动作用，从而产生小尺度漩涡以达到消能作用，降低消力池下游水流的流速[7]。显然，影响消能墩消能效果的主要因素是其体型和位置。结合该领域的相关工程经验和背景工程的实际情况，设计梯形墩、T形墩和顶角60°墩三种常见的墩型，以及消能墩位于消力池的池首、池中和池尾三种不同位置进行比选，以获取消能墩的最佳设计方案[8]。为了减少试验的复杂程度，在墩型优化试验过程中，将消能墩固定在消力池的池首，对上文提出的三种不同墩型进行试验，根据试验结果，确定最佳的墩型。然后再固定最佳墩型，进行消能墩最佳位置试验。试验中结合背景工程的实际情况，确定60、120、180、240、300m3/s 5种不同的下泄流量，以模拟溢洪道的不同使用工况。

3 试验结果与分析

3.1 墩型试验结果与分析

3.1.1流速

对不同墩型设计方案进行模型试验，同时测得不同下泄流量条件下跃后断面、海漫断面以及水舌顶点3个关键断面的流速最大值，结果见表1。由表中的数据可以看出，在海漫断面和水舌顶点，T形墩的流速最大值相对较小，具有流速控制方面的明显优势。在小流量情况下，梯形墩对跃后断面流速的控制作用较好，而在大流量工况下，T形墩最具有优势。对于背景工程而言，由于采用的是低水头溢洪道设计，其消能结构的主要作用是针对大流量泄洪工况设计的。由此可见，T形墩为最佳墩型。

3.1.2水跃高度

水跃高度也是评价消能结构消能效果的重要指标，利用试验中获得的数据，绘制出如图1所示的不同墩型的水跃高度随下泄流量的变化曲线。由图1可以看出，当溢洪道的下泄流量较小时，三种不同墩型的水跃高度比较接近，而随着下泄流量的不断增大，三种墩型的水跃高度呈现出比较明显的差距。其中水跃高度最大的是顶角60°墩，水跃高度最小的为T形墩。由此可见，T形墩有助于控制水跃高度，可以实现较好的消能效果。

表1 不同墩型关键断面流速最大值

图1 不同墩型的水跃高度变化曲线

3.1.3综合能量损失系数

利用试验中获得的数据，计算获取不同墩型、不同下泄流量条件下的综合能量损失系数，结果如图2所示。由图2可以看出，在不同的下泄流量条件下，T形墩的综合能量损失系数最大，这说明采用T形墩可以获得更好的消能效果，为最佳墩型。

综合流速、水跃高度和综合能量损失系数的试验结果，T形墩的消能效果最为显著，为最佳墩型，推荐在工程设计中采用。

图2 不同墩型的综合能量损失系数变化曲线

3.2 不同消能墩位置试验结果与分析

3.2.1流速

鉴于T形墩为最佳墩型，试验中保持该墩型不变，对池首、池中和池尾三种不同的消能墩位置方案下，跃后断面、海漫断面以及水舌顶点3个关键断面的流速进行测量，结果见表2。由表2中的试验数据可以看出，当消能墩位于池尾时，各个关键断面的流速最大值最小。由此可见，当T形消能墩位于池尾时，消能结构的整体消能效果最好。

表2 不同消能墩位置流速最大值

3.2.2水跃高度

对不同T形墩位置方案下的水跃高度进行测量，根据测量获得的数据，绘制出如图3所示的水跃高度随下泄流量的变化曲线。由图3可以看出，不同消能墩位置方案的水跃高度比较接近，虽然池中方案的水跃高度相对偏大，但是没有较为明显的差距。由此可见，消能墩位置对水跃高度的影响不大，没有明显的优势方案。

图3 不同消能墩位置水跃高度

3.3 综合能量损失系数

利用试验中获取的相关数据，计算出不同T形消能墩位置下的综合能量损失系数，结果如图4所示。由图可以看出，当消能墩位于池尾时，综合能量损失系数最大，可以获得最佳消能效果。

综合流速、水跃高度和综合能量损失系数的试验结果，将T形墩墩型设置在池尾，可以获得更好的消能效果，为最佳消能墩位置设计方案。

图4 不同消能墩位置综合能量损失系数变化曲线

4 结论

泄水建筑物的优化设计对保证水利工程的安全运行具有十分重要意义和作用。此次研究以具体工程为背景，通过室内试验的方式探讨和分析了消能墩墩型和位置对消能效果的影响。结果显示，将T形消能墩设置在池尾时可以获得最佳消能效果。研究成果不仅可以为背景工程的设计施工提供支持，还可以为相关类似工程设计研究提供有益的借鉴。当然，目前关于消能墩的研究还不是很完善，且水工模型与实际工程也存在明显的差异。因此，此次研究的结果仍需要工程实践进行进一步的验证。