某水库泄流出口消能方案模型试验研究

吕会娇 禹胜颖 袁淮中 苏 通

1 工程概况

某水库是某地区城乡饮水安全水源工程主调节水库，总库容2 533万m3，其中调节库容2 300 万m3。泄流建筑物主要由输泄水塔、泄水隧洞及泄空管道三部分组成。

输泄水塔位于水库左岸，正常供水水位同水库正常蓄水位1 874.50 m，最低供水水位同水库死水位1 837.00 m。取水塔进水侧在1 862.00、1 849.00 和1 836.00 m 分别设置3 扇进水闸门，取水塔出水侧设控制闸门1 扇。泄水隧洞总长240 m，为DN2 200 mm 钢筋混凝土结构，进口底部高程为1 831.50 m，出口底部高程为1 829.10 m。泄水隧洞后接243.3 m 长DN1 600 mm 泄水钢管，进口底部高程为1 829.10 m，出口底部高程为1 809.53 m。

出口消能布置：DN1 600 mm 泄空管后按3 根DN1 000 mm 分支管，分支管垂直伸入消力池中，分支管末端设消能孔，让水流喷射于消力池中进行消能，再经二级消力池与尾水渠相接。

2 模型的设计与制作

2.1 模型设计

对于管道出口的水流，其运动主要是受重力和惯性力的影响，所以按弗汝德数相似准则即重力相似准则设计，采用正态模型。根据试验设备所能提供的最大水头，并结合市场上可选的有机玻璃管直径情况及试验要求，选定模型比尺为λL=λH=16，流量比尺：，流速比尺糙率比尺：，时间比尺：

2.2 模型制作

模型范围从消能总管末端前约30 m 开始，至消能建筑物末端结束，全长约150 m。原型泄水管及支管均为钢管，要求模型糙率为0.006 9，模型采用有机玻璃管制造，糙率为0.008；消力池采用水泥抹面，糙率为0.008 8；流量采用电磁流量计量测；流速采用多功能智能流速仪测量；水位测量采用水准仪和活动测针。模型的放线精度及制作安装精度符合SL 155—2012《水工（常规）模型试验规程》的要求，整个试验过程也按照上述规范进行。

3 试验成果分析

3.1 原方案试验成果分析

在4 种泄洪工况（Q=30 m3/s、Q=20 m3/s、Q=15 m3/s、Q=10 m3/s）条件下，通过对原设计体型水流流态、水面线、沿程流速分布以及消能情况的试验成果分析，原设计方案存在以下几个问题：（1）支管末端开孔的竖管喷射后消能效果不佳，出水孔口参数设计不合理；（2）消力池内的流态紊乱，消能效果不理想，尾水渠内流速较大。

3.2 原设计方案的优化

3.2.1 消能器出水孔口参数的确定

支管长1.8 m，孔径为1 m，采用梅花形布置。支管上出水孔口选择7 mm、9 mm 孔径（模型）进行多组调试。经过多次试验分析，采用出水孔径7 mm 为最佳，确定流量为30 m3/s 时的消能器支管上出水孔口参数见表1。开孔方式如图1 所示。

表1 消能支管出水孔口参数表

3.2.2 消力池的优化

（1）取消第一级消力坎，在此处安装两个导流墩，两导流墩间隔处安装消能格栅，导流墩上安装盖板，扭面段及下游渠道安装消能墩。

（2）加高第二级消力池坎至1.7 m。

图1 竖管出水孔口布置图（单位：mm）

3.3 优化方案的试验成果

3.3.1 各支管分流比

各封闭支管中流量用传统方法不易量测，本试验采用超声波流量计进行量测。泄放30 m3/s 的流量时，经量测各支管流量总和与控制流量的电磁流量计显示数据一致。3 只支管的分流比为1∶1.3∶1.4（8.11∶10.54∶11.35，单位：m3/s），靠近总管末端值最大。

3.3.2 流速、流态及水面线

泄放30 m3/s 的流量，库区水位稳定后，测得水库水位低于正常蓄水位。对消力池及尾水渠的流态、流速和水面线进行了量测。图2 为优化方案的水面线和流速分布图。

图2 优化方案的水面线和流速分布图

水流经各支管末端开孔的竖管喷射出后，射出水流在水下紊动碰撞，消力池中水位迅速升高，消力池内水面波动较大；消力池内最大水面高程达1 813.74 m，第二级消力坎坎上水头1.22 m。水流在二级消力坎后形成水跃泄向下游。两侧边墙满足最高水位要求。

图3 为实测扭面下游16 m 断面处流速分布图。增加消力墩后，由于渠道加糙使水深增大，下游渠道流速明显减小，实测扭面下游16 m 处最大流速为3.80 m/s，尾水渠内流速分布呈现两侧大、中间小，表流速大、底流速小的特点。

试验证明，增加导流墩、消能格栅以及消能墩，可有效降低渠道中的流速。

3.3.3 消能率

图3 扭面下游16 m断面处流速分布图（单位：m/s）

通过试验可以看出：管道压力水流通过喷孔淹没喷射出流，在消力池内水流剧烈紊动碰撞，消去大部分能量，为计算消能率，以二级消力池底板（高程为1 810.13 m）为基准面，对测量断面和第二级消力坎断面列能量方程，求得的消能效果见表2。

表2 消能效果表

从以上试验结果可以看出：压力管道的水流通过支管与消力池由90°竖向弯管相连后，多喷孔淹没对称向四周喷射出流，水流在局部范围内紊动碰撞，在消力池内消耗了大部分能量，同时增加消能墩后的消能效果有所提高，消能率达到85%以上；由于喷孔射流在消力池内旋滚的相互作用，亦能有效减少对消力池固壁的冲刷。

4 结 语

（1）水库在压力管道出口采用多喷孔无控制泄流的消能方式，结构简单，消能效率高，可行性强。

（2）压力管道的水流通过支管与消力池由90°竖向弯管相连后，多喷孔淹没对称向四周喷射出流，水流在局部范围内紊动碰撞，在消力池内消耗了大部分能量，消能率达到85%以上，能保证水流平稳地和下游衔接。

（3）通过采取增加导流墩、消能格栅以及消能墩的优化方案，提高了消能效果，有效降低了下游渠道中水流流速。

（4）水库压力管道出口3 只支管的分流比为1∶1.3∶1.4，靠近总管末端值最大。消能器喷孔面积与支管截面积比为1.32，与展开面积比（开孔率）为18.3%。

（5）经研究分析，开孔率不变，随着流量的减小消能率随之降低。