冲击墩、台阶与消能塘联合消能的试验研究

杜凌云，刘亚坤

(大连理工大学 水利工程学院，辽宁 大连116024)

底流消能是利用在消力池内产生水跃进行消能的一种传统的消能方式，具有消能效率高、尾水波动小、泄洪雾化影响小的特点，常常在工程中被采用[1]。

在消力池中加设各种消力墩作为辅助消能工，可以增进消力池的消能效果，改善消力池中水跃的稳定性[2]。近年来，国内外学者对于在消力池中加设不同形式的消力墩进行了研究，并在实际工程中得到了良好的应用[3－6]。高水头溢流坝中常采用台阶进行消能，在坡面上布置台阶，利用水流的翻滚在台阶面上形成一个个稳定的漩涡，从而使水体表面大量掺气，以达到减速、消能的目的，阶梯消能工的发展历史悠久，正以其显著的优势效力于各种水利工程中[7－8]。而在消能塘内或溢流堰末端的逆坡上对于利用台阶消能的研究尚少，某水库输水洞下游的消能塘末端采用了台阶式的布置，本文就其与未布置台阶的消能塘进行对比试验研究，以探索逆坡式台阶对消能塘消能效果的影响。

1 概述

1.1 工程概况

某水库位于抚顺市境内，坝址处多年平均径流量16.9 ×108m3。输水洞主洞段长度236.486 m，洞径6.5 m，末端分为支洞1和支洞2，其中支洞1长为136.694 m，洞径6.5 m，泄量为180 m3/s(库水位128.22 m);支洞 2 长度为 150.14 m，分叉前洞径为5.5 m，后部分叉为支洞 2－1和支洞2－2，洞径均为4.0 m，出口前断面尺寸收缩为2.25 m ×2.25 m，设计泄量为220 m3/s(库水位128.22 m)。支洞2出口为反坡台阶式消能塘，平面尺寸为60.5 m×21.2 m，塘内设有分水墩，消能塘前端底板高程为82.29 m，末端与下游尾渠相连，底板高程为 91.2 m，附近地面高程介于98.0 m～98.6 m之间。

1.2 模型设计

试验模型按照重力相似准则设计，缩放比例为1∶30的正态模型[9]，模型的平面示意图及剖面布置示意图如图1所示。入水口、输水洞及消能塘段采用有机玻璃制作，下游河道段由砂浆制作，流速测量采用南京水科院生产的光电流速仪。

图1 模型示意图

2 消能方式研究

为探索在消能塘内布置台阶对消能塘消能效果的影响，采取了两种不同的布置方案，方案一为消能塘与冲击墩联合消能，方案二在消能塘内加设台阶，此时即为冲击墩、台阶与消能塘三者联合消能。

方案一时消能塘内布置如图2，方案二时消能塘内布置如图3。

图2 方案一布置图

图3 方案二布置图

2.1 方案一试验结果

方案一时的试验工况组合如表1。

表1 方案一试验工况

试验中观察到，各工况下，方案一时塘内水跃均为淹没式水跃。底部水流波动十分剧烈，表面翻滚紊乱。由于从输水洞流出的底部水流以较大流速直冲向消能塘尾部，导致尾部水面大幅壅高，试验中测得消能塘末端与消能塘起始端高差在1 m～1.5 m 之间，消能塘末端出流流速在 5.19 m/s～5.75 m/s之间。由此可见消能塘内水面极其不稳定，入塘水流未得到充分的消能。当库水位为校核水位139.32 m时，消能塘起始端左右岸水面高差可达1.2 m，末端出流流速为 5.75 m/s。校核洪水位时消能塘内水流流态及消能塘末端如图4。

2.2 方案二试验结果

加设台阶后的消能塘作为本次研究的方案二，并采用与方案一相同的试验工况进行研究。方案二校核洪水位时消能塘内水流流态及消能塘末端流态如图5所示。

图4 方案一校核水位时流态

图5 方案二校核水位时流态

试验中观察到，各工况下，消能塘内均形成淹没式水跃，输水洞出口处水流流速在18.57 m/s～22.01 m/s之间，由于输水洞出口处水流冲力较大，致使消能塘前方底部水流产生强烈紊动。水流流经塘内冲击墩后，底部水流经反坡式台阶抬升，由于上升的台阶起到了对水流的阻挡和对下垫面加糙的作用，使得消能塘下游水面紊动程度大幅下降，水体得到较充分消能，出流流速下降至3.54 m/s～4.06 m/s，最终流出消能塘时可与下游河道水流平稳衔接[10]。

库水位为126.4 m时，塘内表面水流基本平稳，无较大翻滚水浪，消能塘中部形成较弱逆时针回流，流出消能塘的流速为3.54 m/s。库水位为设计洪水位136.63 m及校核洪水位139.32 m时，消能塘上游左右两岸波浪对边墙冲击强烈，表面旋滚波动剧烈，消能塘中部逆时针回流流速较大，经台阶碰撞、冲击后，消能塘下游水流减缓，可与下游河道水流平缓衔接，无二次水跃，流出消能塘的流速分别为 3.99 m/s、4.06 m/s。

2.3 方案一与方案二消能率比较

设输水洞与消能塘连接处为第一断面，消能塘与下游河道连接处为第二断面。就这两断面对本文两种方案的消能率 η 进行对比计算[11－15]，采用计算公式为式(1)～式(3):

式中:E1为第一断面处单位重量水体具有的总能量;E2为第二断面处单位重量水体具有的总能量;zi为i断面处以输水洞出口末端为基准面的底面高程，已知 z1=0，z2=8.91 m，hi为断面中心点处水深。计算结果如表2所示。

由上述计算结果可知，各工况下方案二的消能率均高于方案一的消能率，消能率是衡量消能工的一项重要指标，消能率的提高不仅可以增加工程的安全性，更可有效维护消能塘自身和下游河道岸坡的稳定;同时方案二还可以减少开挖量，从而进一步降低工程成本。

3 结 论

通过对某工程输水洞末端消能工的布设形式进行水工模型试验研究，成果显示冲击墩、台阶与消能塘联合消能形式的消能率较高且能更有效平稳水流、减少开挖量。因此，当受下游河道地形、河床地质条件等限制因素需采用底流消能时，所需消能塘往往开挖量较大，可因势利导，在塘内修建逆坡式台阶并使之与消能塘出口末端衔接，不仅可以大幅度减少开挖量降低工程投资，还可有效提高消能塘的消能率，减免下游河道受高速水流的冲刷，使塘内水流更加平稳，从而保证消能塘自身稳定。反坡式台阶的消能作用与台阶相对尺寸及水流流速均有关，工程中应依据具体情况选择合适尺寸进行开挖。由此可见，采用台阶、冲击墩及消能塘联合消能的方案可有效保护下游河床，避免护坦受到严重冲刷，最大限度发挥其经济效益。

表2 两方案消能率计算结果

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