青海互助学科滩水电站T型墩消力池体型研究

摘要：本工程原方案消力池为淹没水跃满足设计要求，而护坦和海漫上水流为急流，流速约10m/s左右，与设计给出的抗冲流速1.8m/s相差甚远。为满足工程安全和经济运行要求，特此对Ｔ型墩消力池的结构尺寸、水流流态、压力分布及其消能效果作了研究。

关键词：T型墩 消力池 消力墩 挑流

中图分类号：[TM622]文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

青海学科滩水电站总装机3×5000KW。其中，溢流堰为WES曲线堰，堰面曲线为 ，堰顶高程为2369.25m。大表孔顶部有一水平段，长1.85m。水平段上游为三圆弧曲线，水平段下游为WES曲线，曲线方程为 ，表孔顶部高程为2361.60m。冲沙底孔在渥奇线起点上游为水平段，顶部高程为2354.00，渥奇线曲线曲线方程为 。溢流建筑物下游采用底流消能，大表孔和冲沙底孔出口消力池长45.0m，宽42.1m。

上游水库特征水位和过流量为：最低发电水位2365.50.m，泄流量为零，正常水位2369.25m，泄流量为零，设计水位2369.60m，泄流量为1330m3/s，校核水位为2370.60m，泄流量为2080m3/s。

2 消力池加T型墩的实验研究

2.1 T型墩的设计

T型墩是设在消力池中的辅助消能工，其作用是依靠前墩及尾坎对水流的阻力作用，使消力池形成强迫水跃。其优点是可以缩短消力池长度，适应尾水变幅较大，消能效果好。根据国内外的实验研究和工程实例，T型墩在消力池中一般布置成一排，且墩头为矩形时水流效能效果最好，T型墩与消力池尾坎连接能改善墩的受力情况。

文献[2]对T型墩的体型及尺寸进行过研究，提出了 五种墩型编号，但文献[2]强调，T型墩越高，消力池消能水体越大，消能效果越好。因此，对T型墩的体型设计采用两种体型进行对比。第一种体型的T型墩宽和高均为3.0m，墩厚0.30m，支墩为三角形，支墩长3.0m。第二种T型墩墩体型为墩宽2.5m，墩高2.0m，墩厚0.30m，支墩为三角形，支墩长2.5m。

2.2T型墩消力池的水流流态研究

T型墩消力池的水流流态与T型墩方置的位置、墩宽、墩高、消力池的长度以及消力池的尾坎高度有关。按此将试验的消力池分为三种：第一种T型墩池长分别为45.0m和30.0m，消力池尾坎高4.0m，第二种T型墩消力池长为38.5m，尾坎高4.0m第三种T型墩消力池长为39m，尾坎高3.0m，各种T型墩消力池的水流流态分述如下：

第一种T型墩消力池的水流流态：

第一种T型墩消力池是在原方案消力池尾坎高度不变的情况下进行的。当消力池长45.0m（原方案长度）时，在消力池末端加9个3.0m×3.0m×3.0m（宽×高×支腿长）的T型墩，T型墩使得跃后水深增大，跃首前移，池内水面波动比原方案明显减小，尤其是跃后水面比较稳定。这样做虽然改善了消力池的水流流态，但并没有起到缩短池长的目的，因此，又将消力池缩短了15.0m，使消力池长度变为30.0m仍然在消力池末端加9个T型墩，试验表明，消力池内仍为淹没水跃，设计水位和校核水位时跃首在闸墩末端上游分别为4.8m和4.5m，最大水深发生在T型墩和尾坎之间，设计水位为11.025m校核水位为12.0。消力池内水流非常紊乱，池后水流一股股翻腾，水面波动十分剧烈，水流直冲T型墩墩体，墩前底部流速较大。水流出尾坎后水面水面突然降落，护坦上水流仍为急流。

第二种T型墩消力池的水流流态：

鉴于第一种T型墩消力池当池长为30.0m时消力池后水流翻卷，跃后水深加大，消力池消能不足，跃后水深大主要是第一种T型墩高度达引起的，这实际上增大了跃后的势能，使得护坦上的流速增大，加重了护坦消能的负担。因此，第二种第一种T型墩消力池墩的墩宽和墩高均有所减小，墩宽为2.5m，墩高位2.0m。

第二种T型墩消力池的长度，考虑到墩宽和墩高减小后跃后水深要降低所以消力池长度应该适当加长，以使池内的水流能充分消能，所以取池长为38.5m，第二种T型墩消力池仍用9个，占消力池宽度的53.6%。

T型墩宽度和高度减小后，消力池仍为淹没水跃，设计水位和校核水位时跃首在闸墩出口上游3.0m和2.5m，跃后最大水深设计水位时为10.85m，校核水位为11.5m跃后水面明显较第一种T型墩平稳，池内涌浪也明显减小。

第三种T型墩消力池水流流态

第三种T型墩墩宽2.5m，墩高2.0m，墩厚0.30m，支腿为三角形，长2.5m，布置在消力池尾部。考虑到尽量降低消力池出口的势能，所以将消力池尾坎后原高1.0m的小坎去掉，消力池高度从原来的4.0m变为3.0m，又考虑到尾坎降低后消能容积不够，所以将消力池长改为39.0m。

试验辨明，该方案消力池仍为淹没水跃，跃首在闸墩出口上游2.0m处，池后最大水深设计水位时为10.55m，校核水位时为11.0m，由于将尾坎取掉了1.0m，池内水流仍然是非常紊乱，浪花飞溅，涌浪翻滚，掺气量较大，池后水流水面比较平顺，尤其是尾坎后水面势能减低，水面跌落减小，使得护坦上水流流态有所好转，水深有所增加，流速有所减小，但仍为急流。

从以上三种T型墩消力池的水流流态比较可以看出，T型墩都可以起到加大跃后水深，使消力池形成强迫水跃，减小池长和池深，但相比较而言，第三种T型墩消力池池长较短，池深较小，池内水流大量惨气淹没度较小，充分发挥了消力池的作用，另外，池后水深减小降低了消力池出口的水面降落，提高了护坦上的水深，试验中可以明显地看到，原方案，第一种和第二种T型墩消力池下游水位是靠调解下游尾水高度（雍高下游水位）实现的，而第三种T型墩消力池不需调节下游尾水即能自动满足下游水位的要求，说明该体型消能效果较好。

2.3 T型墩消力池水面线比较

图1是三种形式的T型墩消力池水面线的比较，可以看出，第一种T型墩消力池水面最高，坎前水深最大，出坎水流在护坦上由于动能大，水深反而最少。第三种T型墩消力池池内水深最小，出尾坎后水深和第二种T型墩消力池基本一致，说明后二种T型墩消力池优于第一种T型墩消力池。

2.4 T型墩消力池流速比较

图2是三种T型墩消力池在护坦上（断面2）的流速比较，图中还点绘了原方案的流速分布。由图中可以看出，三种T型墩消力池流速均小于原方案，但第一种T型墩消力池流速和原方案接近，第二、三种T型墩消力池流速基本相当，但第三种T型墩消力池略大一些，分析其原因，是由于第二种T型墩消力池出池水流开始水面较高，水流降落有个过程，到断面2处水深仍较大，而第三种T型墩消力池出池水流水面低，到断面2水深低于第二种T型墩消力池，然而随后二种体型水深基本一致，流速也应基本一致。

上面通过对三种T型墩消力池的水流流态，水面线和流速分布的比较可以看出，第三种T型墩消力池水利刘太好，护坦上水深大，流速较小，而且消力池长度小，尾坎低，是比较理想的体型形式。

2.5 T型墩消力池的体型参数选择

通过对三种T型墩消力池方案的试验研究可以看出，第三种T型墩消力池是比较理想的体型形式。文献[2]曾对T型墩消力池进行过系统研究，提出了五种不同墩高、墩宽、墩厚以及支腿尺寸，目前国内工程中普遍采用的结构尺寸比例为：前墩厚：前墩高：前墩宽：尾坎高：支腿长=2:3:4:5:6。支腿尺寸为支腿厚：支腿高：支腿长=2:3;6，关于T型墩消力池的尾坎高度，文献[6]提出用下式确定

式中 为消力池的尾坎高度； 为单宽流量，将设计水位消力池的单宽流量代入上式，得消力池尾坎高为3.10m，校核水位时需要的尾坎高度为3.31m。将此尾坎高代入前述比例，得前墩厚为1.24m~1.325m，前墩高为1.86m~1.99m，前墩宽为2.48m~2.65m，支腿长为3.72m~3.97m，支腿厚1.24m~1.325m，支腿宽1.85m~1.99m，为了施工方便实际取前墩厚为1.25m，前墩高2.0m，前墩宽2.50m，尾坎高3.0m，支腿长3.75m，支腿厚1.25m，支腿高2.0m。这和前面的第三种T型墩的前墩宽和高完全一致，只不过支腿尺寸有些变化，文献[3]的研究认为，支腿尺寸对水力条件影响不大，所以选定上述T型墩尺寸为推荐尺寸。关于消力池的长度，仍采用池长为39.0m。

参考文献

[1] 清华大学水力学教研组编《水力学》高等教育出版社1983年8月

[2] 潘艳华、杨敏等《T型墩消力池水力特性与体型研究》水利学报 1995年3期

[3] 刘昭然等《三江口溢流坝T型墩消力池的试验研究》水利出版社 1980年11月。

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