跌坎底流消能工在高坝泄洪消能中的实验研究

2012-11-25李继聪王丽杰

水科学与工程技术 2012年6期

李继聪，王丽杰

（1.河北省水利工程局，石家庄050021；2.河海大学水电学院，南京210098）

目前，水利工程中高水头、大单宽流量工程的消能方式一般采用挑流消能，但是挑流泄洪消能时产生的雾化等环境问题较为严重。底流消能以其泄洪雾化影响小、入池流态稳定、效能率高等优点，常常在中低水头工程中被采用。但对于高水头、大单宽流量的水利工程，底流消能消力池底板临底流速较大、抗冲磨保护难度大［1］，因此在工程应用中受限。

跌坎型底流消能工是1种能适应高水头、大流量的新型消能工，已成为近年来国内外水利工作者主要的研究课题之一。它利用水流流出跌坎后在消力池内形成的旋滚和强剪切紊动进行消能，相对于常规底流消能工能有效降低消力池临底流速等水力学参数，有较广的应用前景。但目前国内缺乏对底流消能的跌坎型消能工水力特性的研究，特别是消力池中特征流速及分布等［2］。本文结合某大型水电站溢流坝消力池型式为研究对象，通过系列模型试验进行对比研究，试验结果表明，将跌坎式底流消能工应用于高水头、大流量工程是合理可行的。

1 研究方法及实验方案

试验研究基于大比尺物理模型，采取表、中双层泄水孔断面模型，根据重力相似准则设计，模型几何比尺为1∶60，其中表孔取一个整孔和两个半孔，中孔对应取两个整孔。试验在玻璃水槽中进行，水槽宽80cm，相当于原型48m。模型模拟范围：溢流坝、消力池、尾坎、海墁、明渠部分，全长30m，上游水尺设在桩号0+15附近，下游水尺设在桩号0+1200附近。

该水电站在可行性研究阶段针对其消能工的选择进行了大量的水工模型试验，主要有3类，即经典消力池、宽尾墩+消力池联合消能工、跌坎型底流消力池，见表1。

表1 试验方案对比

2 试验结果对比

2.1 流速

表孔中心线沿水流方向布置流速测点，通过模型试验观测，获得各方案下流速值，见表2、图1。

表2 各方案最大临底流速对比

图1 各方案临底流速对比

成果表明，在校核工况（表中联合敞泄总流量57030m3/s，H上=248.37m，H下=164.73m）条件下，方案1表孔入池底部流速为40m/s，尾坎前流速分布基本上是底部最大。桩号0+137.4断面底部最大流速为41.98m/s，桩号0+264断面底部最大流速为15.78m/s；桩号0+276断面底部最大流速为14.17m/s，消力池内入池流速远远超过20m/s，将严重危及底板的安全，需进一步优化。方案2加宽尾墩后由于形成三元溢流水舌，水舌出闸室后，各孔水流形成各自独立的窄而高的收缩射流，水舌增加了水与空气的接触面，使消能效果增加，流速明显减小，最大流速为8.90m/s，消力池内底部流速均较小，且呈表大底小分布。方案3增加跌坎后最大垂线流速为22.91m/s，坎前断面最大流速为2.24m/s，坎后断面底部最大流速为2.14m/s，其他断面的垂线平均流速均在6～9m/s。整体垂线流速均呈表大底小分布，这是由于在消力池中保持一定的水体，利用与下游消力池底板具有一定高差的射流进入消能水体的中间，使得下泄水流的主流在消力池水体中部流动、扩散、消能。

2.2 水流流态

在校核工况（表中联合敞泄总流量57030m3/s，H上=248.37m，H下=164.73m）条件下，方案1消力池内水跃跃首位于桩号0+174～0+184，为远驱式水跃，跃尾出消力池。所需的消力池池长较长，中孔挑流入水点位于桩号0+192，水舌外缘最高点位于桩号0+136，高程159m，水舌厚21.6m，宽24m。由于相邻两表孔水流在闸墩尾处扩散交汇，在桩号0+132处产生强烈的水翅。尾坎后有二次水跃产生。方案2增加宽尾墩后，由于闸墩对水流的束窄作用使闸上水流由坝面薄层二元水流变为三元水流，并产生水翅。由过堰二维水流在宽尾墩后冲击波交汇点处形成水翅，水翅起点桩号0+48附近，水翅最高点位于0+60，水翅落点在桩号0+125～0+132之间。水翅大部分时间在两侧导墙中间，水冠顶部偶尔击打右侧导墙顶部，水翅间歇左右摆动，击打两侧导墙顶部，水花四处飞溅。消力池内水跃跃首位于桩号0+84～0+93，为淹没水跃，跃尾未出消力池。中孔挑射水流落入消力池内的水跃区，水流掺气，剧烈翻滚，水面上下波动。方案3将消力池底板向下开挖形成跌坎后，消力池内水跃跃首位于桩号0+90～0+96，跃尾位于0+252～0+264之间，为稍淹没水跃，跃尾未出消力池，表孔后跌坎下形成顺时针横轴漩涡，流态较为复杂，消能效果较好。中孔挑流外缘入水点位于0+162～0+168，落点附近水面翻滚剧烈，落点后纵向扩散，两侧表层水流为回流。消力池前部水面波动较大，后部较平稳，桩号0+260后水流较为平顺。

2.3 时均压力

下泄各流量工况下，在中孔及消力池沿程布置压力测点，量测了中孔及消力池沿程，表孔坝面及消力池沿程时均压力值。本文中由于篇幅有限，仅仅给出了表孔及消力池沿程的压力值。实验成果表明：方案1在校核工况表中联泄57030m3/s时，表孔坝面WES曲线段6#，8#，12#测点处出现负压，最大值出现在12#测点为－2.41×9.81kPa。坝面直线19#测点处也出现负压为－0.30×9.81kPa，表孔尾部处压力增大。方案2及方案3在校核工况表中联泄57030m3/s时，表孔沿程的时均压力分布规律类似于方案1，仅仅在表孔坝面WES曲线段出现负压，这是正常现象，而且还可以增大泄流能力。各个方案下消力池内均无负压出现，且分布比较平稳变化较缓，无局部压力峰值。

各方案下消力池前部均有压力突然升高的现象，但是有跌坎时压力增大的程度较小。消力池内部压力分布规律都较好，无明显的压力梯度。整体来看，3种方案下，表孔坝面及消力池沿程时均压力分布规律较好，WES曲线段出现小负压，为正常现象，随后的直线段也出现负压，对泄水建筑物不利，必要时需考虑设置掺气设施。

2.4 脉动压力

本次试验针对方案3 在校核工况表中联泄57030m3/s时，采用脉动压力传感器测量了消力池底板的脉动压力值，脉动压力均方根最大值为8.63×9.81kPa（2#表孔中心线），分布规律符合要求，并且消力池底板上水流的紊动强度沿流程逐渐衰减，详见图2。跃首跃尾主频较低，旋滚区主频较高约13.62Hz。

图2 方案3表孔中心线脉动压力值

3 结果分析

各方案的表孔坝面的时均压力分布规律都符合要求，除坝面WES曲线段小部分外均无负压出现，这部分负压的出现属正常现象，还可以增大该溢流坝的泄流能力。各方案整个消力池内的时均压力变化平缓，无局部峰值，压力沿水流方向逐渐增加，即随桩号沿程呈前低后高的规律。当表孔出口加宽尾墩时，临底流速大大减小，但宽尾墩后形成的水翅会不同程度地击打两侧侧墙，危及侧墙安全，此现象在这一工程中无法从根本上消除。若取消宽尾墩，则消力池内的消能效果较差，且其入池水流流速超过40m3/s，造成对消力池底板的冲刷和破坏，将严重危及消力池底板的安全。方案3借鉴了前苏联萨扬舒申斯克水电站消力池的底板修复经验，在消力池进口处将消力池底板向下开挖形成跌坎，构成跌坎消力池后，消力池内流态稳定，雾化影响小，临底流速衰减较快也得到有效的改善，入池水体相互掺混，消能效果较佳。另外，本次模型试验还测量了方案3在校核工况表中联泄57030m3/s时消力池底板的脉动压力，脉动压力均方根最大值为8.63×9.81kPa（2#表孔中心线），且沿流程逐渐减小。综合比较后，最终推荐采用方案3。

4 消能机理

跌坎式底流消能工是一种新型的消能工，目前这种消能工已在国内外很多工程中得到应用［3］。在跌坎式底流消能的消力池中，不像常规的底流消能工那样，水流出坎以后，主流是以附壁式射流运动，水体在池中受到底板的约束而不能向四周扩散，主流所受到的剪切面积小，形成淹没射流，主流向四周扩散。流体射入到消力池中静止水体中与周围静止水体之间发生强烈的剪切作用，形成了速度不连续间断面，流速间断面是不稳定的，必然会产生波动，并发展形成紊动旋涡，从而主流在射流四周形成强烈的紊动漩涡，消能效果很好，消力池内水面比较平稳，出池水面波动小［4］。由于跌坎的存在，相应增加了有效水体，进而使各项水力学参数得到了明显降低。