胡俊, 刁明軍

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 四川 成都 610065)

寬坦式急流河道閘壩工程消力池模型試驗研究

胡俊, 刁明軍

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 四川 成都 610065)

通過對具有代表性的某寬坦式急流河道閘壩工程進行水工模型試驗, 根據(jù)閘后水流特點, 總結(jié)了該類工程消力池設(shè)計需要注意的重點. 試驗研究表明: 為了確保推移質(zhì)能夠順利地通過消力池隨水流帶往下游, 盡量減少池內(nèi)淤積,同時消力池出池水面與池后下游河道水面較好的銜接, 寬坦式急流河道閘壩工程閘后消力池內(nèi)水流消能不能太充分,消力池深度和長度不能太深和太長, 使出池水流具有一定的能量, 有利于排沙和與下游河道水面的自然銜接. 試驗成果可為具有相同工程特點的消力池優(yōu)化提供借鑒.

寬坦式; 急流河道; 閘壩工程; 消力池; 模型試驗

1 引言

消力池是一種常見的消能設(shè)施, 它能使下泄水流的能量在池中得到集中消剎, 一般可將下泄水流的動能消除40%～70%, 并可縮短護坦長度, 是一種有效而經(jīng)濟的消能設(shè)施[1]. 由于其具有流態(tài)穩(wěn)定, 消能效果較好,對地質(zhì)條件和尾水變幅適應(yīng)性強, 尾水波動小, 維修費用省等優(yōu)點而廣泛用于高、中、低水頭, 大、中、小流量各類泄水建筑物中. 近年來, 部分學(xué)者從消能的角度對各類消力池深度的設(shè)計展開過研究, 如劉沛清等分析了自由水躍和強迫水躍的主要特征, 并給出有關(guān)的經(jīng)驗公式, 闡述了消力池及輔助消能工的作用及設(shè)計方法[2]; 張志昌等研究了綜合式消力池深度的簡化計算方法以取代試算法[3];張志軍等為了尋求計算消力池深度的簡單方法, 從底流的消能負荷出發(fā), 導(dǎo)出了計算消力池深度的理論公式, 并將其擬合成計算簡便的實用公式[4]. 也有學(xué)者對消力池的沖磨破壞問題展開過研究, 如張聞輝等研究了跌坎型底流消力池混凝土底板破壞機理[5]. 但是, 目前同時就消能效果和推移質(zhì)造成的沖磨破壞兩方面影響對消力池的深度展開的研究卻鮮有報道.

本文所研究的攔河閘工程所處河道具有兩個特點: 一是寬坦, 河道比降大, 使得水流流速較大, 工程樞紐段水流屬于急流; 二是河道底部含有的粗顆粒推移質(zhì)較多, 并且隨著水流緩慢向下游移動. 消力池屬于底流消能型式, 一般來說, 對于底流消能而言, 如果確定了來流單寬流量q 和上、下游水位差△E, 那么消力池所需消除的總能量( 即消能負荷) 就會唯一確定; 同時相應(yīng)于該消能負荷的消力池深度也會唯一確定[6]. 但對于本工程而言, 其消力池深度的確定不僅要滿足消能要求, 同時要能排放推移質(zhì), 以防造成對消力池的沖磨破壞. 過去的研究成果主要針對消能效果來研究消力池深度的確定, 這些研究成果不完全適用于推移質(zhì)較多的河道[7]. 并且, 無論是理論分析還是數(shù)值模擬都很難判斷出在一定流量下推移質(zhì)是否能順利排出消力池. 因此對本工程采用模型試驗進行研究是有必要的[8].

2 模型試驗

該攔河閘工程由閘前鋪蓋、閘室、閘后斜坡段、消力池以及池后海漫組成, 水閘底板高程為1330.00m, 正常蓄水位1331.00m, 攔河閘工程確定為Ⅲ等工程, 洪水標準取為20年一遇設(shè)計, 流量為2310m3/s. 閘下消能防沖設(shè)計洪水重現(xiàn)期取為20年. 攔河閘布臵了10孔平板鋼閘門, 孔口尺寸均為12×5m(寬×高), 閘底板高程為1326.00m. 試驗方案分為兩種: 方案一消力池深度為1m; 方案二消力池深度為2m, 此兩種方案下消力池其它尺寸均一樣.

根據(jù)試驗內(nèi)容和要求, 結(jié)合該工程實際情況, 模型采用正態(tài)模型, 按重力相似準則設(shè)計, 幾何比尺為1:50.流量采用無側(cè)收縮矩形薄壁量堰進行量測, 模擬范圍為壩軸線上游約850m, 下游壩軸線以下約1150m范圍. 試驗工況采用設(shè)計流量及50年一遇流量, 設(shè)計流量為2310m3/s, 50年一遇流量為3100m3/s. 消力池樁號范圍為0m～45m.

圖1 水工模型試驗平面布置圖Fig.1 Floor plan of hydraulic model test

圖2 方案一消力池結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Instruction diagram of thestilling pool when adopt the first scenario

圖3 方案二消力池結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Instruction diagram of the stilling pool when adopt the second scenario

3 模型試驗成果分析

3.1 水流流態(tài)對比分析

圖4和圖5展示的是設(shè)計流量下方案一和方案二從水流進入水閘, 經(jīng)過斜坡段進入消力池, 直到在消力池消能后離開消力池進入海漫, 最后匯入下游河道的全過程的水流流態(tài). 圖4反映了方案一水流從進入水閘后再經(jīng)過斜坡段水面跌落后在消力池內(nèi)能形成較完整的淹沒式水躍, 躍前和躍后水深深度差別明顯, 主流在底部通過劇烈的紊動剪切作用消減能量. 圖5反映的是方案二設(shè)計流量下消力池的水流流態(tài), 從圖中可以看出, 方案二時消力池內(nèi)沒有發(fā)生明顯的水躍現(xiàn)象, 水流沒有在消力池底部發(fā)現(xiàn)明顯的紊動. 圖6和圖7展示的是50年一遇流量下兩個方案的水流流態(tài), 流態(tài)整體與設(shè)計流量時相似. 從圖4和圖5、圖6和圖7的對比當中可以發(fā)現(xiàn), 在同一流量下, 方案一和方案二的水流流態(tài)有較大差異. 正常情況下, 水流在消力池內(nèi)的消能過程會伴隨有水躍的發(fā)生, 一般水流從水閘出來進入消力池后水面先降低至某一收縮斷面, 然后發(fā)生水躍再下游自然銜接[9], 情況如方案一. 但是方案二的水流流態(tài)出現(xiàn)了變異, 水流從水閘出來進入消力池以后, 水面下降幅度很小, 接著并沒有出現(xiàn)水躍反而水面逐漸上升甚至一度逼近上游水位, 出消力池以后才在海漫處出現(xiàn)跌落與下游銜接.

圖4 方案一設(shè)計流量下消力池水流流態(tài)Fig.4 Flow pattern of the stilling pool at the designing discharge when adopt the first scenario

圖5 方案二設(shè)計流量下消力池水流流態(tài)Fig.5Flow pattern of the stilling pool at thede- signing discharge when adopt the second scenario

圖6 方案一50年一遇消力池水流流態(tài)Fig.6Flow pattern of the stilling pool at the 50-yearflood when adopt the first scenario

圖7 方案二50年一遇消力池水流流態(tài)Fig.7Flow pattern of the stilling pool at the 50-yearflood when adopt the second scenario

3.2 水面線對比分析

圖8展示的是實測得到的設(shè)計流量下方案一和方案二水流從進入閘室到離開海漫的水面線變化情況. 從圖8可以看出, 方案一時, 水流從進入閘室開始由于側(cè)收縮水面呈下降趨勢, 到達消力池后發(fā)生水躍, 躍后水深與下游水深基本持平, 水流出消力池時無明顯跌落現(xiàn)象. 方案二時, 水流通過水閘后, 由于斷面?zhèn)仁湛s水面有所下降, 但是在經(jīng)過斜坡段后, 水面不降反增, 消力池內(nèi)水深明顯壅高甚至超過閘前水深, 且出池后水流出現(xiàn)二次跌落. 這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于消力池消能過于充分, 導(dǎo)致消力池內(nèi)臨底流速過小, 在流量一定的情況下, 水深必然增大. 但是下游水深較淺, 使得出池后的較大水深在與下游較小水深銜接時出現(xiàn)了二次跌落, 即水面下降, 流速增大. 此時, 較小的臨底流速容易造成泥沙的淤積和殘存推移質(zhì)的沖磨破壞, 二次跌落后出現(xiàn)的較大池后流速將加大對下游河道的沖刷. 另外, 對于方案二的情況, 由于消力池內(nèi)水深出現(xiàn)壅高, 若實際工程采用此種方案,消力池邊墻應(yīng)該適當加高[10].

圖8 兩種方案設(shè)計流量下水面線Fig.8 Water surface profiles at designing discharge of the two scenarios

3.3 斷面平均流速對比分析

表1為實測得到的兩個工況下兩種方案的斷面平均流速比較, 數(shù)據(jù)顯示: 在進入消力池以前, 方案一和方案二水流流速沒有明顯差別, 進入消力池以后, 兩種方案下的消力池池內(nèi)水流流速都在逐漸減小, 一直到接近消力池坎時兩者流速均達到最小. 比較兩個方案同一斷面處水流平均流速可以看出: 方案一時, 水流流速減小的速度和趨勢較為緩慢, 消力池中部的水流流速仍維持在較大水平. 方案二時, 水流流速減小的速度和趨勢較為迅速, 消力池中部的水流流速相比池前降幅較大. 造成這種情況的原因可以用連續(xù)性方程來解釋, 方案二情況下由于消力池加深以后, 消力池中部的水面出現(xiàn)雍高, 即過流斷面超過方案一情況下的過流斷面, 在通過流量相同的情況下水流流速必然減小.

表1 兩工況下兩種方案斷面平均流速(m/s)Tab.1 Meanvelocity at cross-section of two working conditions when adopt the two scenarios

3.4 消能率對比分析

從表2可以看出, 兩個工況下, 方案二的消能率均高于方案一. 原因在于, 消力池較淺時, 主流沒有完全在消力池進行充分的消能, 有相當一部分直接沖往下游, 造成消能的不充分. 消力池較深時, 主流在消力池底部進行了充分的混摻和剪切作用, 使得能量得到較大程度的消減.

表2 兩工況下兩種方案消力池消能率對比Tab.2 Comparison with the ratio of dissipation in stilling pool of two working conditions when adopt the two scenarios

3.5 沖磨破壞作用對比分析

通過比較兩個工況下的流速分布以及放水兩小時后消力池內(nèi)殘留的推移質(zhì)數(shù)量, 得出: 方案一時, 由于流速較大, 大部分推移質(zhì)隨著水流排往下游, 最終在消力池內(nèi)幾乎沒有殘留的推移質(zhì); 方案二時, 由于流速較小,導(dǎo)致了較多推移質(zhì)殘留在消力池內(nèi). 方案二中殘留的推移質(zhì)將隨著水流的剪切、翻滾對消力池底板和邊墻產(chǎn)生沖磨破壞. 有學(xué)者曾經(jīng)做過實驗, 研究水工泄水建筑物抗沖磨混凝土在含推移質(zhì)水流作用下的使用壽命, 發(fā)現(xiàn)混凝土磨損率隨著磨損介質(zhì)顆粒粒徑的提高而明顯增加,且當磨損介質(zhì)粒徑越大時,磨損率增加的幅度也越大[11].對于同類型河道坡降大, 且含有較多顆粒粒徑較大的推移質(zhì)的工程對于消力池造成的沖磨破壞將遠遠超過只含有小顆粒推移質(zhì)泥沙或者懸移質(zhì)的工程. 同時值得重視的是, 這種破壞是長期存在的, 實際工程中, 經(jīng)過一定的時間以后, 將可能造成消力池難以繼續(xù)使用.

4 結(jié)語

消力池作為一種傳統(tǒng)消能工, 通常在設(shè)計時較多的是考慮其消能效果. 但是, 對于諸如本工程一樣河流比降較大, 且含有較多推移質(zhì)的閘壩工程, 在開展消力池的設(shè)計時除了考慮消能效果外還應(yīng)該重視推移質(zhì)及泥沙的輸送問題及出池水面與下游河道水面自然銜接問題, 避免出池水流水面出現(xiàn)明顯的二次跌落, 從而避免對下游河道造成較大的沖刷[12]. 對于河流比降較大, 河道中含推移質(zhì)較多的同類型工程來說, 在僅考慮消減水流能量則應(yīng)在設(shè)計時將消力池深度和長度應(yīng)該適當加大; 反之, 僅考慮順利排出推移質(zhì)以及避免下游河道淤積則應(yīng)在設(shè)計時將消力池深度和長度適當減小, 使出池水流具有一定的能量, 有利于排沙和與下游河道水面的自然銜接, 避免消力池后下游河道出現(xiàn)較大的沖刷.

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Experimental study on the stilling pool for dams engineering in the wide and flat rapid flow river

HU Jun, DIAO Ming-jun
(State Key Lab of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.)

Experiments were conducted on the representative dams engineering on the wide and flat rapid flow river. According to the flow characteristics after the sluice gat, the principle of stilling basin for the engineering design was summarized. Experimental research showed that in order to ensure that bed load can be carried smoothly through the stilling basin with flow to downstream, reducing aggregation of the pool and good connection of the water surface after going out of the stilling basin with that of the downstream, the stilling basin for dams engineering on the wide and flat rapid flow river shouldn’t have excellent energy dissipation effect. The depth and length of the stilling basin can't be too deep and too long, so that the flow energy could be kept at a certain level in favor of sediment flushing and natural cohesion with the downstream. Test results can provide reference for stilling basin optimization with the same engineering characteristics.

wide and flat type; rapid flow river; dam engineering; stilling pool; model test

TV653

A

1003-4271(2014)05-0781-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.05.28

2014-08-07

胡俊(1990-), 男, 湖南瀏陽人, 碩士研究生, 研究方向: 水工水力學(xué). Email: 1025309886@qq.com

刁明軍(1968-), 男, 四川簡陽人, 教授, 博士, 博士生導(dǎo)師; 研究方向: 工程水力學(xué); Email: diaomingjun@scu.edu.com.