楊 姣，劉亞坤，張 帝，段雙帥，岑嘉豪，劉春明

(大連理工大學建設(shè)工程學部水利工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

流態(tài)穩(wěn)定、消能效果顯著，適用于各種地質(zhì)較差情況、泄洪霧化影響小等優(yōu)點使得底流消能廣泛使用[1-2]。盡管底流消能存在諸多優(yōu)勢，但底流消能[3]需修建大型消力池，增加工程投資；隨著工作水頭的增加，消力池臨底流速[4]增大，很難保證消力池自身的泄洪安全[5]。消力池內(nèi)受高速水流沖擊，紊動劇烈，底板上紊流脈動壓力[6]加劇，消力池的臨底流速和脈動壓強[7]一般較大，消力池自身泄洪安全[8-9]需更加注意。消力池發(fā)生破壞[10-11]最為嚴重的是底板結(jié)構(gòu)毀壞[12]，對工程安全所構(gòu)成的威脅最大[13-15]。五強溪水電站右岸溢洪道由于長時間運行在惡劣的水流流態(tài)下，水流掀起并沖走了部分底板塊，并在基巖處形成超過30 m的沖坑[16-17]；新疆蘑菇湖[18]因消力池內(nèi)水流流態(tài)不佳造成消力墩被沖走，致使下游河道沖刷嚴重，嚴重威脅工程安全；安康大壩表孔消力池底板也曾在運行時遭受到破壞[19]。

國內(nèi)外許多學者在消力池的水流流態(tài)、臨底流速、脈動壓強分布等方面做了大量的研究。張強等[20]通過對底流消力池內(nèi)水流流態(tài)分析得出隨入池能量的變化，消力池內(nèi)會產(chǎn)生多種形式的水流流態(tài)。秦翠翠[21]、孫雙科等[22]通過對比分析跌坎型消力池與非跌坎型消力池發(fā)現(xiàn)，跌坎型消力池臨底水流參數(shù)大大降低。劉達等[23]研究了不同入流角度對消力池相關(guān)水力特性的影響。本文以待建的新疆某水利樞紐為例，通過在常規(guī)消力池中設(shè)置不同的輔助消能工以及改變常規(guī)消力池池深與寬度等方式增加消能率，改善下游水流形態(tài)。通過試驗觀測不同方案下水流形態(tài)、流速、時均壓強、水深等水力學參數(shù)，并比較各方案消能率，確定最終方案。

1 模型設(shè)計與試驗結(jié)果

1.1 模型試驗概況

本試驗依托國內(nèi)待建的新疆某水利工程的水工模型進行研究，泄洪建筑物由開敞式溢洪道與泄洪沖砂兼導流洞組成。開敞式溢洪道位于右岸，由引渠段、控制段、陡槽及擴散段、消力池段及護坦段5部分組成，模型示意如圖1所示。

圖1 模型示意

溢洪道總長804.79 m，進口引渠段長62.16 m，底板高程2 095.90 m?？刂贫窝咝筒捎民劮逖?，進口控制段位于大壩右坎肩，軸線與壩軸線正交。堰頂高程2 098.00 m，堰高2.10 m，凈寬10.00 m，1孔，在弧形工作閘門前設(shè)置檢修閘門，堰后接i=1/200泄槽陡坡段。陡坡段后接85級臺階，臺階高1.0 m、長2.0 m。臺階段后接消力池，消力池長46.0 m、寬17.0 m、深6.3 m。

1.2 試驗裝置及測試手段

試驗按照重力相似準則設(shè)計，采用1∶50正態(tài)模型，模型材料為有機玻璃。采用水位測針及水位跟蹤儀測定恒定流水位；DJ800多功能監(jiān)測系統(tǒng)及壓力傳感器測定時均壓強，LGY-Ⅱ流速儀測量流速。流速及水深共設(shè)置6個測量斷面，測量每個斷面的底部、中部及表面流速；順水流沿軸線布置8個壓力測點，流速、水深及測壓點布置方式及位置如圖2所示。

圖2 測點布置

設(shè)置10組試驗。①原方案，消力池長46.0 m、寬17.0 m、高6.3 m，無輔助消能工；②方案1，消力池距尾部0+222.903處設(shè)置1道截面為直角梯形(高1.0 m、上底0.2 m、下底1.2 m)且與消力池等寬的通坎；③方案2，在消力池尾坎迎水面等距設(shè)置4個相同的消能墩(高3.15 m、寬2.35 m，頂部順水流長1.275 m)，消能墩斜面與尾坎面貼合，間隔放置，間距為2.53 m；④方案3，結(jié)合方案1與方案2中的輔助消能工；⑤方案4，在方案2的基礎(chǔ)上將消力池尾坎上的4個尾墩加厚(頂部順水流長2.275 m)，布置方式同方案2；⑥方案5，將方案2中的4個尾墩加高至與消力池尾坎齊平(高6.3 m、寬2.35 m，頂部順水流長2.55 m)，且結(jié)合方案1中消力坎；⑦方案6，在尾坎處布置尾墩，尾墩布置方式同方案5；⑧方案7，在原方案基礎(chǔ)上將消力池加深1 m、加寬4 m；⑨方案8，消力池加深1 m、加寬4 m，在消力池尾坎迎水面布置等高的4個尾墩(高7.3 m、寬3.867 m，頂部順水流長3.55 m，間距2.18 m)；⑩方案9，在方案8基礎(chǔ)上將4個尾墩加高1 m。各方案示意如圖3所示。選取消能水位2 105.19 m進行泄洪消能試驗。

圖3 各方案示意

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 水流形態(tài)

原方案中水流進入消力池后，沿底板急速前進，向上翻滾，未形成充分水躍，水舌[24]向下游擴展不

開，水流濺出消力池，出池后水流形成二次水躍的惡劣流態(tài)(如圖4a所示)，沖刷下游河床[25]。在消力池中后部水位壅高，水體在池內(nèi)波動劇烈，出池水流形成一定的跌落差，消能效果明顯不足。方案1～方案6與原方案相比，消力池內(nèi)水流流態(tài)有所改善，水流分散入池，下泄水體混摻[26]充分。下泄水流在消力池前端劇烈旋滾，二次水躍現(xiàn)象改善不明顯，仍在水流出池30 m位置處形成二次水躍。

圖4 原方案與方案8出池流態(tài)

方案7～方案9水流流態(tài)比較平穩(wěn)。相較于方案7泄流，方案8與方案9水流在消力池內(nèi)充分摻氣旋滾，在出池處波動較小，出池后二次水躍現(xiàn)象消除明顯(如圖4b所示)，水流與下游河道銜接平順；消力池前部水流紊動劇烈，中后部水面有較小波動。

2.2 消力池內(nèi)流速

各方案下消力池內(nèi)沿程斷面流速分布如圖5所示。各方案下沿程底部流速最大不超過11 m/s，當

圖5 消能水位2 105.19 m時各方案沿程流速

水流流經(jīng)最后一級臺階后，水股入射沖擊點距消力池進口11.5 m左右，在沖擊區(qū)域水流湍急，在樁號0+200.453處流速增大。水流在消力池內(nèi)流速最小點在尾坎處，因此整體近似呈“駝峰”狀。方案8底部流速明顯小于其他方案，其原因在于消力池加寬加深后，水股入射最后一級臺階至消力池底板處深度加深，消力池水體之間相互碰撞、摩擦、剪切作用加大，表面旋滾劇烈，底板沿程臨底流速下降明顯。方案8在樁號0+200.453 8處底部流速下降至6.38 m/s，相較于原方案降幅為37.32%，出池水流流速也相較于原方案下降32.91%。

水流在消力池內(nèi)不斷向上翻涌，混摻，因此各方案下沿程中間流速相比于底部以及表面流速相對紊亂。當尾部設(shè)置4個等距且與尾坎齊平的尾墩(方案5、方案6、方案8)泄洪時，水流沿溢洪道傾瀉而下，在抵達消力池尾坎前，下泄水流被差動式尾墩分為3個部分。其中，豎直面減小來流沖擊力，并消除余能；差動式尾墩將下泄水流分為7股支流，其中3股支流被尾坎挑起到下游海漫，有效利用尾坎出口縱向空間，使得水流空中消能效果增強，期間部分能量被消耗；剩余4股支流能量經(jīng)過差動式尾墩的直接消耗后，在尾坎上方橫向擴散消除，因此出池水流流速沿水深方向分布相對更為均勻。

2.3 消力池水深

在消能水位2 105.19 m時，對比分析各方案下消力池水深，測量結(jié)果見圖6。方案1、方案3、方案5中水流在消力池內(nèi)起伏明顯。在布置通坎前，消力池底部水流劇烈旋滾，形成大小不一的氣泡向上翻滾，在消力池尾部形成一定的跌落差。布置通坎后消力池內(nèi)，波動較平穩(wěn)。

圖6 消能水位2 105.19 m下各方案消力池水深

當消力池尾部設(shè)置楔形尾墩時(方案6)，消力池尾坎上水頭增加，水面線變化平穩(wěn)，水面波動幅度較小。將消力池加寬4 m、加深1 m(方案7、方案8、方案9)后，水面波動也較小。出池后二次水躍現(xiàn)象消除明顯，因此在方案7～方案9時進行了設(shè)計洪水位2 105.24 m，校核洪水位2 105.74 m的消能試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，方案7～方案9中消力池水深略高于其他方案。整體而言，方案8在特征水位下水深變化最為平緩。

圖7 方案7～方案9消力池水深

2.4 時均壓強

在消能水位2 105.19 m時，不同方案時均壓強分布如圖8所示。顯然，針對各方案，水流均直接射擊在樁號0+200.453近，部分水股向后回旋，在樁號0+188.953～ 0+200.453范圍內(nèi)出現(xiàn)壓強極值，消力池內(nèi)水深呈現(xiàn)沿程增加的趨勢，臨底流速逐漸降低。

圖8 消能水位2 105.19 m時各方案時均壓強分布

由圖8可知，時均壓強在消力池尾坎處達到最小，且方案7～方案9的時均壓強相對低于原方案和方案1～方案6。這一方面是由于方案7～方案9中的消力池進行了加寬和加深，另一方面是由于方案8和方案9中布置的尾墩使得尾坎處形成7股水流、相互摻混碰撞，消耗大量的能量，時均壓強減小。

設(shè)計洪水位與校核洪水位下方案7～方案9沿程時均壓強分布如圖9所示。結(jié)果表明，各方案下時均壓強分布規(guī)律基本一致。增大消力池寬度與池深(方案7～方案9)，消力池內(nèi)能夠形成有效的淹沒，水流射擊消力池底板后，底部漩渦反向從消力池兩側(cè)角隅處涌出，與邊墻處附壁射流和淹沒回流[27]之間相互混摻、摩擦、剪切。在消力池出口隅角處，水流上涌且突擴，導致消力池內(nèi)中尾部臨底流速逐漸降低，底板的時均壓強呈上升趨勢(樁號0+206.953～0+233.085)。針對消能洪水位2 105.19 m、設(shè)計洪水位2 105.24 m、校核洪水位2 105.74 m，時均壓強分布規(guī)律一致。

圖9 方案7～方案9時均壓強沿程分布

2.5 消能率

通過消力池進出口所減少的能量占總能量之比來計算消力池的消能率[28]。計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中，E1、E2分別為由壓能、勢能、動能組成的消能前、后斷面總水頭；ν1、ν2分別為消能前、后斷面平均流速；h01、h02分別為水深在消能前、后斷面處的平均水深。

計算參考斷面選取消力池進口及消力池出口，勢能參考面選取消力池底板Z=2 009.5 m。各方案消能率計算結(jié)果見表1。受消力池內(nèi)深尾水束縛，尾坎處消能墩高度小于尾坎時，水流在出池時出現(xiàn)部分壅高現(xiàn)象，使得方案3計算消能率低于原方案，其余方案消能率均高于原方案。特別地，針對方案8，消力池加寬4 m、加深1 m，并在尾坎上布置與尾坎齊高的差動式消能墩，消能率可達到24.94%，消能效果最佳。

表1 各方案消力池消能率

3 結(jié) 論

通過10個不同方案下的模型試驗，測量并分析各方案下的水流流態(tài)、流速分布、沿程水深及時均壓強的分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)原方案中消力池內(nèi)水流出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩水躍現(xiàn)象，主流翻濺并溢出消力池；消力池臨底流速較大，時均壓強有明顯突變點，出口水流流態(tài)不佳，有較大的跌落差；方案1～方案6中設(shè)置輔助消能工后，水流流態(tài)明顯改善，但出池后仍出現(xiàn)二次水躍現(xiàn)象。

經(jīng)過優(yōu)化后，推薦方案的消能率從原方案的15.79%提高到24.94%，水流波動幅度較小，時均壓強無明顯突變點；消力池內(nèi)水流形成淹沒水躍，出池流態(tài)較好，出池后二次水躍現(xiàn)象明顯消除；尾坎上形成7股支流分別從縱向和橫向擴散，消能效果顯著，極大削弱了出池水流能量，確保下游河床、岸坡及建筑物等免遭沖刷毀壞，有效解決泄水建筑物下游因消能不足引起的沖刷問題。鑒于對消力池內(nèi)的水力參數(shù)分布規(guī)律的研究，結(jié)果表明設(shè)置差動式尾墩的消力池優(yōu)化設(shè)計對工程實際的指導具有重要意義。