池末尾坎自由出流的消力池布置研究

黄智敏,付 波,陈卓英（1.广东省水利水电科学研究院,广东广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室,广东广州 510635）



池末尾坎自由出流的消力池布置研究

黄智敏1,2,付 波1,2,陈卓英1,2
（1.广东省水利水电科学研究院,广东广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室,广东广州 510635）

摘要:池末尾坎自由出流的拦河闸下游消力池流态较复杂,其水力特性和体型布置是工程设计和运行关心的问题。通过水力模型试验研究,对尾坎自由出流的消力池池长和消力池末端尾坎高度的关系进行分析,提出消力池体型布置方法:首先在消力池水平段池底高程选定的基础上,根据消力池进口断面弗劳德数,初选池末尾坎高度;其次通过调整尾坎高度和计算尾坎顶水深,使两者之和与跃后水深的比值在1.15～1.2之间,则消力池水平段池长与跃长的比值可减小至0.8～0.85。该方法可较合理地确定尾坎自由出流的消力池水力和体型参数。

关键词:拦河闸;消力池;尾坎;自由出流;试验研究

拦河闸下游河道河床下切、水位降低之后,若其下游消力池经修复和改造后仍可利用,可在修复和改造后的消力池下游修建二级消力池,采用分级消能以解决闸下游消能防冲的问题。在实际工程运行中,由于部分拦河闸下游河道水位降低较为明显,因此,在拦河闸各级洪水流量泄流条件下,其下游一级消力池（即经修复和改造后的原拦河闸下游消力池）末端尾坎出流多为自由出流,池内流态相对较复杂。文献[1]对自由出流的消力池末端尾坎相对水深（T+H）/h2与池长L的关系进行了初步分析（图1）。文献[2]对水跃下游断面的尾坎高度T进行研究,提出了使水跃稳定的相对坎高T/h1与跃前断面弗劳德数Fr1的关系式。由于尾坎自由出流消力池的水流条件和体型较复杂,现阶段相关的研究成果仍较少[3-10]。本文对尾坎自由出流的消力池水力特性和体型布置进行水力模型试验和分析。

图1 自由出流消力池水力和体型参数示意图

1 消力池运行流态和体型布置分析

通常,常规的拦河闸下游消力池体型布置的方法如下:根据闸上游水位Z、闸门开度e、泄流单宽流量q等,选取消力池进口断面的流速系数φ,由有关的消力池计算公式[11-12],计算消力池进口跃前水深h1、跃后水深h2、水跃长度Lj、池深S等,消力池水平段池长L可取为自由水跃长度Lj的70％～80％,池深S、池下游水深t、池末端出口水面落差ΔZ之和（S+t+ΔZ）与h2之比约为1.05～1.1,以使消力池内形成一定淹没度的水跃,见图2。

图2 消力池水力和体型参数示意图

分析图1,为了使自由出流的消力池内形成稳定水跃,应满足消力池末端尾坎前缘水深（T+H）≥h2和水平段池长L≥Lj的要求。由于尾坎自由出流的消力池水力特性较复杂,池末尾坎的高度及位置等不同,会影响消力池的流态、水力参数等,给计算和分析带来一定的难度,需借助水力模型试验对消力池水力特性和体型参数进行研究。

2 水力模型试验设计

拦河闸下游消力池水力模型试验在50cm宽的玻璃水槽中进行,为1∶50.8的正态模型。拦河闸闸室泄流净宽B=23.2m,闸墩厚度为2.2m,取水平段池底高程为0.0m,闸室堰顶高程为1.5m,闸下游消力池净宽B0=25.4m（B/B0=0.913）。模型试验的闸上游水位Z分别取7.5m、10.5m和14.0m,水平段池长L分别取18m和23.5m,池末端尾坎高度T分别为0.75m、1.0m、1.5m、1.75m和2.0m,尾坎顶厚度b=3m,下游陡坡段坡度i=1∶4,见图3。

试验系统包括抽水泵房、供水管道、调节阀、量水堰、调节尾门和回水渠道等,量测设备和仪器（量水堰和水位测针等）经校正后使用,各试验值经多次量测后,取其平均值。

图3 拦河闸下游消力池布置示意图（单位:m）

3 消力池试验结果及分析

3.1 闸门局部开启运行试验

3.1.1 试验方法和流态分析

保持消力池尾坎出流为自由出流,各级闸上游水位下拦河闸闸门局部开启运行时闸口出流均为自由泄流,闸孔泄流单宽流量q与闸门开度e的关系见图4。在不同的Z、L和T的组合下,观测拦河闸下游消力池不出现急流状远驱水跃而形成临界稳定水跃的e、q等参数（见表1、表2、图4）。试验表明:①在相同Z的条件下,随着T的增大,池内形成稳定水跃的q相应增大；在相同T的条件下,随着Z的增大,池内形成稳定水跃的q相应减小。②在相同Z 和T的条件下,随着水平段池长L的增加,池内形成稳定水跃的q相应增大,但增大的幅度较小。③在（T+H）/h2＜1条件下,池内形成稳定水跃的L/Lj＞1,即水平段池长L大于水跃跃长Lj；在（T+H）/h2≥1条件下,池内形成稳定水跃的L/Lj≤1,此时池内水跃为强迫水跃,池末尾坎位置对池内水跃形态的影响较大。

3.1.2 T/h1～Fr1关系

将表1、表2中各试验组次的T/h1～Fr1关系绘于图5,发现T/h1随Fr1增大而增大,两者近似呈线性关系。

表1 稳定水跃的消力池水力和体型参数（池长L=18m）

表2 稳定水跃的消力池水力和体型参数（池长L=23.5m）

图4 闸门局部开启q～e关系

图5 T/h1～Fr1关系

3.1.3 L/Lj～（T+H）/h2关系

选取消力池进口收缩水深断面流速系数φ=0.94～0.97、池末端尾坎泄流流量系数m0=0.33～0.4[2],由消力池和堰流有关计算公式[2,11],计算出各组次消力池进口跃前水深h1、跃后水深h2、水跃长度Lj、尾坎顶水深H等（表1、表2）,将L/Lj～（T+H）/h2的关系绘于图6得:①相对池长L/Lj随淹没度（T+H）/h2的增大而减小；②忽略图6中个别较离散的试验点,当（T+H）/h2=0.9～1时,可取L/Lj=1～1.3；当（T+H）/h2=1～1.2时,可取L/Lj=0.8～1。

3.2 闸门全开运行试验

闸门全开运行的消力池作用水头相对较小,消力池进口断面Fr1相应减小,池内形成临界稳定水跃的T/h1与Fr1的比值比闸门局部开启运行时小（见表3、表4、图5）。

表3 稳定水跃的消力池水力和体型参数（池长L=18m）

表4 稳定水跃的消力池水力和体型参数（池长L=23.5m）

L/Lj～（T+H）/h2的关系与闸门局部开启运行的相应关系一致,随着（T+H）/h2的增大,L/Lj相应减小。当尾坎高度T较小时（T=0.75m、1.0m）,出现了（T+H）/h2＞1、L/Lj＞1的情况（见表3、表4、图6）。分析其原因为:此时尾坎位于水跃的下游（L＞Lj）,尾坎位置对池内流态影响较小[2],在确保消力池内水跃为稳定水跃的条件下,可将尾坎往池上游移动至水跃范围内（即L/Lj≤1）,使池内水跃形成强迫水跃；当（T+H）/h2值较大时,L/Lj值可相应取小些。如表3、表4的T=0.75m组次试验中,消力池（T+H）/h2=1.08,若将其L/Lj值取0.92,池内仍形成临界稳定水跃；T=1.0m组次的试验情况也类似。

图6 L/Lj～（T+H）/h2关系

4 消力池水力和体型参数选取分析

4.1 消力池末端尾坎高度

通常,消力池水平段池底高程是由工程布置、地形和地质条件、工程施工和投资情况等确定的,在设计泄洪流量条件下,可先设定池末尾坎的高度,通过反复试算得出形成一定淹没度水跃的尾坎高度,然后再选取合理的池长[13]。

分析可知,在给定池底高程的条件下,形成稳定水跃的池末尾坎高度T与其池进口的h1和Fr1等有关。由本文试验资料（图5,Fr1＞14的试验点较少,故舍去）,可得出尾坎自由出流的消力池内形成临界稳定水跃的T/h1～Fr1关系为

计算时可由Fr1值按线性插值计算出各式的系数C （C=（T/h1）/Fr1）,然后再计算相应的T/h1。

4.2 消力池水平段池长

由于池末尾坎的工程量和投资额比水平段池长小得多,因此,在不影响拦河闸泄流能力的前提下,应优先考虑设置较高的尾坎,即适当增大（T+H）/h2,以尽量减小水平段池长L。由本文试验成果可知,当（T+H）/h2=1.15～1.2时,其相对池长L/Lj=0.8～0.85。

综上所述,在工程计算中,根据设计洪水条件的Fr1值,可由式（1）初步选取消力池末端尾坎高度T,然后计算出尾坎顶水深H,并适当调整尾坎高度T,使尾坎淹没度（T+H）/h2=1.15～1.2,其相对池长L/Lj相应可取0.8～0.85。

5 算 例

乌石拦河闸枢纽设置15孔泄洪闸孔,闸室堰顶高程为13.0m,单孔闸净宽为7.6m,总净宽为114m；其下游消力池段总宽度为131.6m。近年来,由于拦河闸下游河床下切明显、水位急速降低,池末端尾坎出流均为自由出流,严重影响工程安全运行。除险改造工程设计拟在现状消力池改造基础上,在其下游修建二级消力池。设计初拟的一级消力池水平段池底高程为10.6m,池长L=20m,尾坎高度T=1.75m。

在50年一遇洪水流量（P=2％,Q=3500m3/s）条件下运行时,闸下游一级消力池内出现急流状远驱水跃,急流撞击池末尾坎后跃起并跌向下游,流态极差。模型试验在消力池内设置两排消力墩（墩高1.8m,墩宽与墩间距均为1.4m,消力墩呈梅花状排列）之后,消除了池内远驱水跃,池内形成稳定水跃[14-15]。采用本文方法对乌石拦河闸下游一级消力池进行布置:

a.由闸上游水位Z=19.45m、闸孔泄流单宽流量q=30.7m3/（s·m）和消力池进口断面流速系数φ=0.98,计算得出消力池h1=2.66m,Fr1=2.26,h2=7.27m,Lj=31.8m；由式（1）得T/h1=0.737,T=1.96m；以尾坎泄流单宽流量q0=26.6m3/（s·m）、流量系数m0=0.42,计算得H=5.89m。从而得到（T+H）/h2=1.08,由图6查L/Lj=0.92,计算得L=29.26m。由此可知,设计初拟的一级消力池（T=1.75m、L=20m）无法形成稳定的水跃。

b.为了进一步缩短池长,取池末尾坎高度T=2.6m,则由H=5.89m、（T+H）/h2=1.168,查L/Lj=0.832,计算得L=26.46m。

水力模型试验表明,在Q=3500m3/s泄流运行条件下,T=1.96m、L=29.26m和T=2.6m、L=26.46m两种布置的消力池内均能形成稳定的水跃,显然后者的效益较高,且均可在池内设置消力墩等辅助消能工,其池长可再缩短25％～30％。

6 结 语

根据水力模型试验,对尾坎自由出流的消力池水力特性和体型布置进行研究,提出了其体型布置的初步方法:①在消力池水平段池底高程选定的基础上,计算出消力池的水力参数h1、Fr1、h2和Lj等；然后根据Fr1值,初选池末尾坎高度T。②通过调整尾坎高度T和计算其坎顶水深H,使T+H与跃后水深h2的比值（T+H）/h2=1.15～1.2,则消力池水平段池长L与跃长Lj的比值L/Lj可减小至0.8～0.85。

采用本文方法可较合理地确定尾坎自由出流的消力池水力和体型参数,可供类似工程参考。本文试验中消力池水平段池长分别取18m和23.5m,池底作用水头为7.5～14m,对不同水平段池长（及不同尾坎高度）和作用水头的自由出流消力池水力特性尚需进一步深入研究。

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中图分类号:TV653

文献标志码:A

文章编号:1006- 7647（2016）03- 0068- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.014

基金项目:广东省水利科技创新项目（2012-04）

作者简介:黄智敏（1957—）,男,教授级高级工程师,硕士,主要从事水工水力学及河流动力学研究。E-mail:hzm3011@163.com

收稿日期:（2015 06- 13 编辑:骆超）

Study on layout of stilling basin with free discharge at end sill of basin

HUANG Zhimin1,2, FU Bo1,2, CHEN Zhuoying1,2（1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,guangzhou 510635, China；2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics,guangzhou 510635, China）

Abstract:The flow patterns of a stilling basin with free discharge at the end sill of the basin downstream of a sluice are complex.Thus, the hydraulic characteristics and layout of the basin are significant to the engineering design and operation.Based on a hydraulicmodel test, the relationship between the stilling basin length and the end sill height was analyzed, and the layoutmethod of the stilling basin is put forward: First, according to the Froude number in the inlet section of the stilling basin, the height of the end sill is preliminarily selected on the basis of the selected bottom elevation of the horizontal segment.Second, through adjustment of the end sill height and calculation of the water depth at the top of the end sill, the ratio of the sum of the two variablesmentioned above to the water depth after the hydraulic jump is controlled within a range of 1.15 to 1.2, and then the ratio of the length of the horizontal segment of the stilling basin to the length of hydraulic jump can be reduced to within the range of 0.8 to 0.85.Thismethod can reasonably determine the hydraulic and shape parameters of the stilling basin with free discharge at the end sill.

Key words:sluice；stilling basin；end sill；free discharge；test study