宽尾墩对跌坎底流消力池影响的试验研究

赵德亮， 朱　萍

(1.新疆水利水电勘测设计研究院， 乌鲁木齐　830000;

2.国电大渡河新能源投资有限公司， 成都　610041)

宽尾墩对跌坎底流消力池影响的试验研究

赵德亮， 朱萍

(1.新疆水利水电勘测设计研究院， 乌鲁木齐830000;

2.国电大渡河新能源投资有限公司， 成都610041)

【摘要】针对低水头、大单宽流量、下游水位变幅大的水电站中的泄洪消能问题，本文结合官地水电站工程进行了水工模型试验研究，从消力池的水流流态、临底流速以及底板时均动水压强对比几方面，分析了宽尾墩对跌坎底流消力池的影响。结果表明，宽尾墩改善了消力池内的水流流态，降低了消力池内的临底流速和时均压强，充分利用了宽尾墩技术优势，提高了泄洪设施的总消能率，有效解决了下游水位变幅较大的水电工程类泄洪消能问题。

【关键词】宽尾墩； 平尾墩； 跌坎底流消力池； 试验研究

国内外采用底流消能的水电站中，因消力池水流形态不好、流速过高所引起的底板失稳破坏的事例屡见不鲜，其遭受破坏的原因多与消力池的临底水力学指标有关。此类工程大都具有中高水头、大单宽流量等特点[1]。许多研究表明，采用跌坎底流消能能显著改善消力池的水力学指标[2]，但对于下游水位变幅较大的水电站，却又出现了难以控制消力池内水流流态的问题。我国学者在20世纪70年代提出的宽尾墩联合消能工[3-4]，在一定程度上解决了这一问题，并在岩滩、潘家口、水布垭等多个大中型工程中得到应用[5]。本文以官地水电站为研究对象，通过模型试验，分别对宽尾墩和平尾墩与跌坎底流消力池联合消能的水力特性进行了测试分析，发现宽尾墩联合消能工可以明显提高跌坎底流消力池的消能率，改善水流流态，缩短消力池的长度，且能很好地适应下游水位的变化。

1工程简介及模型试验

官地水电站为碾压混凝土重力坝，电站正常蓄水位 1330.00m，总装机容量2400MW，总库容7.6亿m3，多年平均发电量118.7亿kW·h。最大坝高168m，坝顶全长约529m；溢流坝段布置于河床中部，由5个溢流表孔坝段和2个中孔坝段组成，表孔采用了宽尾墩消能工，每孔净宽15m，宽尾墩采用中间3孔对称Y形，两侧边孔不对称V形的布置型式。两个中孔坝段分别布置于溢流坝段两侧，孔口尺寸5m×8m(宽×高)，出口采用挑流鼻坎的形式把水流从侧向挑入消力池，溢流坝的下游接跌坎底流消力池。溢流坝和消力池的布置如图1所示。

图1　溢流坝和消力池布置

按重力相似准则要求，建立了几何比尺为1∶80的正态模型。模拟总长度为2450m，其中上游水库范围为坝轴线以上约1000 m，下游河道范围为坝轴线以下约1450 m，模型全长约30.625m。枢纽建筑物全部采用有机玻璃制作，河床用水泥砂浆抹面制作，开挖与人工砌护部分用水泥净浆抹面。试验工况如表1所示。

表1　试验工况

2试验结果及分析

2.1流态及临底流速

模型试验对校核洪水、设计洪水、消能防冲洪水共3个典型工况下的平尾墩+跌坎消力池及宽尾墩+跌坎消力池内中心线上各特征断面的临底流速进行了测量，如表2所示。

表2　消力池临底流速

采用平尾墩+跌坎底流消能时，下泄的水流主体没能在消力池充分消能即跃过消力池，出尾坎后的水流流速很大，形成一顺时针的旋滚，并产生二次水跃，下游河道水面波动较大。在表孔上采用宽尾墩后，水流经宽尾墩收缩，沿纵向拉伸，沿横向扩散，最后跌入消力池内及溢流坝的反弧段上，消力池中的水流在水流方向、水深方向及横向产生剧烈的混掺和紊动剪切，水体表面会形成淹没型的水跃，水面平稳。池内的水流是冲击射流和水跃的混合流态，不仅具有一个逆时针的大旋滚，还有其他轴向的旋滚，具有三维特性。

由表2可知，对于跌坎底流消力池，工况1时，消力池内最大临底流速为 21.57m/s；工况2时，最大临底流速为 20.23m/s；工况3时，最大临底流速仍有 17.33m/s。而增加宽尾墩后的实测结果表明，临底流速明显减小，消力池最大临底流速分别约为 15.74m/s，14.81m/s和12.42m/s，都控制在20m/s内。

这两个方案的最大临底流速都出现在消力池的前部，增加宽尾墩后，消力池内临底流速均明显降低，且显著改善了没加宽尾墩时水流经反弧后进入消力池的水流潜底现象，形成了比较稳定的流态，消能更加充分，底板受到的冲刷力也降低，消力池的安全得到有效保证。

2.2时均动水压强分布

图2为三个工况下的平尾墩+跌坎消力池及宽尾墩+跌坎消力池内中心线上沿程的时均动水压强分布对比图。

图2　消力池中心线上时均动水压强

试验结果表明，无论是平尾墩还是宽尾墩，消力池的前部都有压力骤升现象，区别在于宽尾墩时，压力增大的程度要小很多，且时均压力值变化要平缓一些。这是因为没有宽尾墩时，水流经过跌坎后会迅速潜底，冲击消力池底板，并推动周围水体，在跌坎与冲击点之间形成旋滚，增大了压力梯度，使得冲击压力较大。而增加宽尾墩后，虽然水舌是以挑流方式进入消力池内的，但是下游水位较高，形成很深的水垫，底板的冲击压力不大。另外发现，在平尾墩时，在消力池的尾坎处会有突然升高的翘尾巴现象，相比宽尾墩时高出约10×9.8kPa，分析其原因是由于在平尾墩的情况下，消力池内的消能不够充分，水流以较大的速度冲击尾坎，尾坎前后的动水压强相差悬殊，坎上将承受较大的水平推力，而采用宽尾墩后，池内消能比较充分，出池时水流平稳。

2.3总消能率

建立上游库区和尾坎上游消力池底板末端断面间的能量方程，以消力池底板作为基准断面，试验中测出尾坎上游断面的水位和平均流速，可通过下式计算出总的消能率，计算结果见表3。

(1)

可以看出，宽尾墩的消能率远远大于平尾墩。这主要是由于水流受宽尾墩的上部斜面和下部收缩影响，形成纵向拉伸的水舌，并在宽尾墩出口到进入消力池的过程中沿横向扩散，在空中大量掺气，且落入消力池内后，产生强烈的多轴向旋滚，水流间掺混、冲撞、紊动剪切，旋滚区大量掺气，形成三元水跃，故消能效率显著提高。

3结语

a.宽尾墩+跌坎底流消力池的联合消能方式非常适用于中高水头、下游水位变幅较大的水电站，是一种很有应用前途的消能工。

b.在表孔末端加宽尾墩后，水流经过纵向拉伸和横向扩散后，在消力池内形成三维轴向旋滚，强烈混掺，大量掺气，消能效率较常用的平尾墩显著提高，且不会影响过流能力。

c.采用宽尾墩后，能很好地改善消力池中流态不稳定的现象，降低消力池内临底流速以及时均动水压强。

d.虽然宽尾墩的消能率较高，但也存在缺点，如：出射水流跌落在消力池底板上，有可能造成底板破坏等，尚有待进一步全面深入地研究。

参考文献

[1]王海云,戴光清,杨庆,尹杨松.低水头、大单宽流量泄洪消能方式研究[J].水力发电,2006(8): 25-261.

[2]王海军，赵伟，杨红宣，等.跌坎型底流消能工水力特性的试验研究[J].水利水电科技，2007(10)：39.

[3]肖兴斌. 宽尾墩在高坝消能中的研究与新发展综述[J].水电工程研究，2001(2).

[4]谢省宗,李世琴,李桂芬. 宽尾墩联合消能工在我国的发展[J].红水河,1995(14):3 -11.

[5]谢省宗,林秉南.宽尾墩消力池联合消能工的消能机理及其水力计算方法[J].水力发电,1991(1):50-531.

中图分类号：TV135.2

文献标志码：A

文章编号：1005-4774(2015)02-0031-04

Experimental Study on Influence of Flaring Pier on Step-down Floor
Underflow Stilling Pool

ZHAO De-liang， ZHU Ping

(1.XinjiangHydroandPowerSurveyDesignInstitute,Urumqi830000,China;

2.ChinaGuodianDaduRiverHydropowerDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610041,China)

Abstract：In the paper, Guandi hydropower station project is combined for carrying out experimental study of hydraulic model aiming at flood discharge and energy dissipation problems in hydropower station with the characteristics of low water head, large discharge unit width and great change in downstream water level. Influence of flaring pier on step-down floor underflow stilling pool is analyzed from several aspects of stilling pool water flow pattern, flow velocity close to the floor and time average dynamic water pressure comparison. The result shows that water flow pattern in stilling pool is improved by flaring pier, flow velocity close to the floor and time average pressure in stilling pool are lowered, technical advantages of flaring pier are fully utilized, overall energy dissipation rate of flood discharge facilities is improved, and flood discharge and energy dissipation problems of hydropower projects with larger downstream water level changes are effectively solved.

Keywords：flaring pier; even tail pier; step-down floor underflow stilling pool; experimental study