陳 蕾

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000)

五一水庫工程深孔底流消能水力學問題研究

陳 蕾

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000)

迪那河五一水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、導流兼泄洪洞、發(fā)電洞和供水管線等主要建筑物組成，水庫正常蓄水位1 370.0 m，最大壩高102 m，總庫容0.968億m3，調(diào)節(jié)庫容0.51億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。通過新疆迪娜河五一水庫泄水建筑物整體水工模型試驗，論證導流兼泄洪沖砂洞出口消能的合理性，對消力池體型進行優(yōu)化，由試驗研究得出方案，實際運用表明，效果達到試驗要求。

導流兼泄洪沖砂洞;消力池;體型優(yōu)化;柵條;底流消能;水力學

1 工程概況

迪那河五一水庫樞紐工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺縣群巴克鄉(xiāng)境內(nèi)，距輪臺縣以北40 km。水庫工程由大壩、溢洪道、導流兼泄洪洞、發(fā)電洞和供水管線等主要建筑物組成，水庫正常蓄水位1 370.0 m，最大壩高102 m，總庫容0.968億m3，調(diào)節(jié)庫容0.51億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。

2 導流兼泄洪沖砂洞布置

導流兼泄洪沖砂洞前期作為導流洞，后期作為永久泄洪沖砂洞，布置在左岸，導流兼泄洪沖砂洞采用工作門豎井前為有壓洞、工作門豎井后為無壓洞的布置形式，由進口引渠段、事故門閘井段、壓力隧洞段、工作門閘井段，無壓隧洞段、擴散段、出口消能段及護坦段組成。出口擴散段長71.2 m，擴散角7.2°。出口消力池長85.0 m，寬16.0 m，消力池深 8.4 m，池高18 m。消力池后接30.0 m長、16.0 m寬護坦。

導流兼泄洪沖砂洞設計工況下泄流量759 m3/s，校核工況下泄流量773 m3/s。為了得到各工況深孔導流洞進口進水塔、工作門閘井過流斷面流態(tài)及流速等情況，試驗選取200 m3/s、402.86 m3/s(初期導流量)、474.97 m3/s(后期導流量)、設計水位流量及校核水位流量等5個典型流量進行試驗。由水力學試驗情況可以看出，導流洞消力池內(nèi)無論是大流量還是小流量流態(tài)總體不穩(wěn)，小流量水躍位置靠前，水流跳躍飛濺，大流量池內(nèi)水流壅高、波動較大，水流濺出池外較多，因此在前期試驗結(jié)果的基礎上，對消力池的體型進行了優(yōu)化。包括調(diào)整池深、池寬、池長及加柵、降低護坦等不同措施。

3 出口消力池體型優(yōu)化

3.1 消力池后變底坡

導流兼泄洪沖砂洞在大流量時消力池出口水流收縮產(chǎn)生局部壅水，在下游彎段處跌水，水流連接極不平順，偶爾水流溢出邊墻，為了消除水流不穩(wěn)定現(xiàn)象，促使池內(nèi)水流與下游平順連接，在設計工況下，對池后連接段的底坡進行不同坡度調(diào)節(jié)，當消力池坎頂?shù)灼抡{(diào)整為1∶8時(圖1)水流條件得到明顯改善，連接較為順暢。

圖1 導流洞消力池優(yōu)化布置方案

3.2 加深，加寬消力池

設計消力池邊墻高度18 m，試驗中設計工況消力池最大水深為20 m，校核工況下消力池內(nèi)最大水深為20.3 m。經(jīng)過變底坡優(yōu)化，水流銜接改善，但池內(nèi)水流流態(tài)變化不大，水流依然起伏不定，高出邊墻較多，改變消力池尺寸進行試驗，由前面試驗過程發(fā)現(xiàn)，水躍在池中混摻充分，水躍尾部未達到消力池末端，可見消力池長度足夠，改變消力池尺寸主要是池寬和池深，考慮地形和地質(zhì)條件，首先制定偏大方案:池加深2 m、加寬4 m，在設計水位條件下放水試驗，發(fā)現(xiàn)消力池內(nèi)最大水深基本與原設計邊墻高度持平，偶爾偏高，水躍躍前至渥奇段中部偏上，有水花濺起達到此處邊墻高，水流條件整體改善不大。

上面方案消力池加深水躍前移，躍前斷面靠前，造成渥奇段水深加大，繼續(xù)修改方案:池不加深、加寬4 m。在設計水位條件下放水試驗，渥奇段水深略有降低，但水躍位置變化不大，消力池內(nèi)水流與前方案類似，最大水深也基本與原設計邊墻持平。

考慮在渥奇段末端加坎進行消能，加一1.5 m高的跌坎，坎后水流混摻充分，池內(nèi)水面均低于原設計邊墻高，但渥奇段躍前斷面繼續(xù)向上游發(fā)展，水流波動較大。

繼續(xù)減小池寬進行試驗，修改方案為:池加寬2 m、加深2 m、坎高2 m。水流在池內(nèi)波動較大、水位壅高，渥奇段尾部水躍旋滾區(qū)較大，基本達到原設計邊墻高度。

不論池寬如何變化加池深作用不大，水躍躍前斷面還會繼續(xù)向上游運動，坎的作用也類似。因此對只加寬池寬度進行試驗，采取加池寬2 m的方案，在設計水位條件下放水試驗，消力池內(nèi)后段水流平順，前段稍有紊亂，但水深基本保持在原設計邊墻高度，渥奇段水流常有水花濺起。

3.3 池內(nèi)加懸柵、降低護坦

通過以上調(diào)整消力池尺寸的試驗證明，在池底不能加輔助消能工的前提下，要想達到理想的消能效果很難。因此將消力池內(nèi)加柵條、下游護坦降低，水流條件改善、波動幅度減小、水躍基本發(fā)生在池內(nèi)、池末端水流平穩(wěn)。

首先在消力池加16根柵條，后13根距離池底10 m，兩根之間距離5 m，前3根依次降低1 m，效果較好，水躍在池內(nèi)，水流穩(wěn)定。但在小流量時，水躍躍前斷面依然靠前，針對小流量問題，在之前又加了3～4條懸柵，同時把前面的6～7個柵條方向做了變化。由表1可見:在小流量時由于池內(nèi)水深較大，水躍躍前斷面基本在渥奇段中部，加柵條后移躍前斷面的作用不大，但此時水流波動較小，水流流態(tài)較好。在600 m3/s流量時加17根柵條的影響較大，水躍明顯后移。但在700 m3/s流量時加16根柵條就能滿足，在設計水位和校核水位情況下，加13根柵條就能滿足。在不同流量情況下調(diào)整柵條角度的試驗表明，在大小流量時角度的變化對水躍位置的改變及水流流態(tài)的改變不大。

表1 柵條數(shù)量及位置對比表

4 消力池優(yōu)化方案的試驗情況

經(jīng)過以上多次消力池修改方案試驗，由于工程現(xiàn)場地形條件的制約，消力池寬度不能加太多，池深、池長的變化對消能效果影響較小，通過對比可以看出加柵條方案較好，最終確定為加17根柵條、護坦降低0.9 m的優(yōu)化方案(圖2)。試驗測試了該方案在設計水位和校核水位條件下的流態(tài)、流速、壓強、沖刷等情況。

圖2 導流洞消力池優(yōu)化方案布置

5 結(jié)論

為改善底孔出口消力池水流流態(tài)，在盡量減小工程量增加的前提下，對消力池的體型進行一系列優(yōu)化方案，由反復試驗研究確定的方案效果較好，按照池內(nèi)水深加上安全超高確定消力池邊墻，消力池池內(nèi)及渥奇段加柵條，池后底板變坡，降低護坦。

［1］吳戰(zhàn)營，牧振偉，潘光磊.導流洞出口消力池內(nèi)設置懸柵消能工試驗研究［J］.水利與建筑工程學報，2011(04):39-41，104.

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1007-7596(2012)09-0020-02

2012-09-03

陳蕾(1978-)，女，吉林延吉人，工程師，從事水電建設施工工作。