新疆五一水库溢洪洞底流消能模型试验研究

新疆五一水库溢洪洞底流消能模型试验研究
摘要：根据工程建设需要，对新疆迪那河五一水库溢洪洞消力池消能进行模型试验。

对其消能防冲的布置从调整梯形墩位置个数、尾坎高度、T型墩位置个数等不同角度出发进行试验。

根据试验结果，提出采用了梯形墩和悬栅联合布置的最佳设计方案。

梯形墩和悬栅的联合运用为辅助消能工的结构设计和其他同类工程优化消力池提供参考。

关键词：消力池消能防冲梯形墩T型墩悬栅
1 工程概况
迪那河是新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县境内六条河流中最大的一条河，五一水库枢纽工程位于山口以上约5 km的迪那河干流上，距离轮台县城约40 km，此工程属于控制性工程，具有工业供水、防洪兼灌溉等综合效益。

工程规模属中型，工程等别为Ⅲ等；设计洪水标准P=1%（Q=1508.14 m3/s），校核洪水标准P=0.05%（Q=2540.34 m3/s）。

水库工程是由大坝、溢洪道、导流兼泄洪洞、发电洞和供水管线等主要建筑物构成。

溢洪洞位于左岸导流洞兼泄洪冲砂洞的外侧，坝轴线与轴线交角为68°。

溢洪洞由进口引渠段、控制段、洞身段、陡坡段、消力池段及出口明槽段组成。

进口引渠长为426.106 m，底板高程1353.50m，底板宽度15.0 m，为复式梯形断面；控制段采用开
敞式进口，WES堰型，堰顶高程1358.0 m，堰宽15.0 m；洞身纵坡i=0.05，9.5×11 m城门洞形断面；出口陡坡段采用“U”型，出口消力池长83 m，底宽18 m，墙高23 m，底板高程1274.70 m，坎顶高程1281.00 m，墙顶高程1297.70 m，消力池内末端布设有“T”型消能工。

2 模型试验设计方案
模型试验按照重力相似准则设计，根据试验内容、供水以及场地等条件，又考虑到模型有机玻璃标准尺寸问题。

模型几何比尺为54.167，相应其它主要物理量比尺为：流量比尺：=21594；流速比尺：=7.36；糙率比尺：=1.945；时间比尺：=7.36；泥沙粒径比尺：=54.167。

模型模拟长度为1340 m，其中枢纽坝轴线上游460 m，为定床模型；坝轴线下游880 m，其中导流洞出口末端以后为动床模型，长500 m。

模型总长25 m，坝轴线以上平均宽度为6 m，坝下游平均宽度为
2 m。

3 原设计试验成果分析
为了得到各工况表孔溢洪洞水流流态、流速分布等情况，试验选取设计洪水标准P=1%（Q=1508.14 m3/s），校核洪水标准P=0.05%（Q=2540.34 m3/s）2个典型流量进行试验。

设计流量下，由于水跃跃前断面流速较大，梯形墩位于城门洞出口反弧段末端附近，高速水流直接击打梯形墩的迎水面，水流受到梯
形墩的阻挡，被挑射到空中，造成消力池内水花飞溅，流态紊乱。

校核流量下，由于消力池内T型墩的阻击作用增大，池内水深明显增加，翻滚的水流回流到跃前断面，抑制了池内飞溅的水花，但池内的水面翻滚、波动仍较大，消力池中后部水深偏大，最大壅浪高度25.40 m。

4 消力池优化方案试验
由原设计方案试验情况可以看出，表孔溢洪洞消力池无论是在设计流量还是校核流量下流态总体不稳。

设计流量下由于梯形墩位置靠前，水跃跃前断面流速过大，造成水流被挑射到空中，水花飞溅，消力池内不能形成淹没水跃；校核流量下虽然可以形成淹没水跃，但消力池内水流翻滚剧烈，池内水深偏大，池内中后部涌浪较高，水流偶尔溅出池外。

因此在前期试验结果基础上，进行了大量消力池优化试验。

从调整梯形墩位置个数、尾坎高度、T型墩位置个数等不同角度出发进行试验。

4.1 无梯形墩方案
梯形墩阻水作用产生强迫水跃，将位于消力池首部的梯形墩去掉，T型墩位置个数及尾坎的高度仍为原设计方案。

此方案试验看出水跃明显后移，跃前断面距圆弧段末端20 m，跃后断面位于尾坎后明渠段。

由于受到消力池尾坎的阻击作用，尾坎处水面壅浪较高，设计流量（1508.14 m3/s）下，尾坎处水深已达到设计边墙高度，明渠段末端流速为11.92 m/s。

此方案通过去掉梯形墩，改变了水跃发生的位置，没有发生挑流，水流飞溅不太明显。

但是受到消力池尾坎的作用，使尾坎处水面壅浪较高，需要进一步调整方案。

4.2 调整梯形墩位置、加尾坎、墩间距加大方案
原设计方案在设计流量下，梯形墩首部流速过大，水流被挑射到空中。

制定修改方案：梯形墩后移27 m、墩间距加大10 m、尾坎加高2 m。

设计流量下跃前断面位于反弧段末端前方1/5处，消力池内前部水深较低，水花飞溅跳跃，中部水深涌浪较高，偶尔水花溅出池外，明渠段末端流速为10.75 m/s。

校核流量下水跃的跃前断面明显后移，位于圆弧段末端处，消力池前部水流翻滚更加剧烈，消力池中后部水深偏大，明渠段末端流速为10.93 m/s。

与原设计方案相比，通过调整梯形墩位置、间距以及尾坎高度，使水跃发生在圆弧段末端附近，但消力池前部水流翻滚加剧，且水深逐渐增高，中部最大水深基本与边墙持平，仍需调整方案。

4.3 梯形墩后移、无T型墩、尾坎加高位置变化、尾坎变坡方案
消力池尾坎处的T型墩消能效果不是很明显，在其前部不能很好的形成强迫水跃，为了改善水花飞溅的问题。

修改方案为：梯形墩后移12 m(前排2个后3个)、无T型墩、尾坎加高2 m、前移13 m（池长缩短13 m）、尾坎后1/8变坡，尾坎高度5.8 m。

设计流量下跃前断面位于圆弧段末端前方1/4处，消力池前部水深较小，水花飞溅的问
题得到明显改善，消力池内中后部水面相对平稳，水深明显降低，明渠段末端流速为10.2 m/s。

实际工程中不采用抬高尾坎的方案。

需对消力池池深加大，进行了池深加深2 m的修改。

设计流量下消力池内水面波动较大，前部水深偏低，但翻滚、波动较大，偶尔溅起水花。

中部水深由于受到梯形墩的阻水作用，水深明显加大，消力池内最大水面壅高达到23.73 m。

溢洪洞出口消力池末端冲刷坑最大深度达到12.58 m，冲坑的最低点距消力池末端水平距离为25.46 m。

校核流量下跃前断面后移，高速水流直接击打到梯形墩上，水流受到阻挡被挑射到空中，造成水花溅出池外，不能形成淹没水跃，消力池内流态紊乱。

方案还需再次调整。

4.4 消力池悬栅方案
经过对消力池尺寸及辅助消能工（梯形墩）的修改，消力池内流态都不是很理想。

在圆弧段末端前部加设3根直栅条，后部加设13根栅条，栅条间距5 m，三根栅条距池底距离依次为：6.429 m、7.974 m、8.8 m，后部13根栅条距池底9 m。

在设计流量下消力池内水面平稳，最大水深为21.125 m，悬栅消力池消能率为76.77%。

校核水位下悬栅的置入，增加了池内水流强烈的混掺、碰撞，悬栅对梯形墩挑起的水流有一定的削减抑制作用，导致水流在池内能量得到消减，最大水深为22.48 m。

不仅能在池内形成淹没水跃，而且水流流态较其他方案改善明显，悬栅消力池消能率为77.55%。

此方案通过试验数据和试验现象可以看出：添加悬栅后，明显对梯形墩挑起的水流有抑制作用，并且在消力池内部发生淹没水跃，梯形墩后流速小于梯形墩前流速，起到了明显的消能作用，经过多方案比选此方案最优。

5 结语
(1)单独设置梯形墩时，通过调节梯形墩的位置，间距和排数，在设计流量和校核流量下泄洪时，无法改变消力池内水流流态和跃后水深，因此不能满足泄洪消能的要求。

(2)梯形墩和悬栅的联合运用增加了池内水流强烈的混掺、碰撞，悬栅对梯形墩挑起的水流有一定的削减抑制作用，导致水流在池内能量得到消减，消力池内的水流稳定，有效降低跃后水深，起到了很好的消能作用。

梯形墩和悬栅的联合运用为辅助消能工的结构设计和其他同类工程优化消力池提供参考。

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