浅析水垫塘消能措施

尹 杨 松

(大唐四川发电有限公司，四川 成都 610091)

浅析水垫塘消能措施

尹 杨 松

(大唐四川发电有限公司，四川 成都 610091)

泄水建筑物下泄水流的巨大动能在水垫塘内被消除，防止了下游河床发生严重的冲刷破坏，避免了恶劣的流态，实现了水位平顺衔接，保障了工程安全。对水垫塘内的水流流态、扩散规律进行了阐述，可为水垫塘的设计和运行提供参考。

水垫塘；消能；水流流态； 扩散规律

我国的高坝工程大多修建在西南高山峡谷地区，具有落差高、泄洪流量大、泄洪功率高和坝区河谷狭窄的特点。高坝下泄水流的巨大动能在狭窄的河道内易引起下游河床的严重冲刷破坏，进而危及大坝安全。其常常在坝址下游以二道坝壅水形成水垫塘，承接坝身泄洪孔口跌落的水舌，在水垫塘中进行消能，从而避免了恶劣流态，亦使下泄水流与下游平顺衔接。由于水垫塘水体的缓冲作用，有效地减轻了底板的冲击压力，如二滩、锦屏一级水电站等工程均采用了水垫塘+二道坝的方式。根据水垫塘底板的剖面形状，可将其分为两类[1、2]：平底水垫塘和反拱水垫塘。平底水垫塘是最常规的消力池布置型式，具有体型简单，易于施工等优点。反拱水垫塘利用反拱的作用抵抗底板上的动水压力和浮托力，依靠拱座的稳定保持水垫塘底板的自身稳定。

1 水垫塘内的流态

水垫塘内的流态特征与射流的入水初流速、入水角度、下游水垫塘的水深以及射流形状等因素有关。在泄流条件不发生改变的情况下，不同的水垫深度或改变射流入水角度时，水垫塘内的流态可以表现为：①自由冲击射流；②淹没冲击射流；③面流[3]。

(1)自由冲击射流。当水垫塘内的水垫深度较浅(或无水)时，下泄的高速射流水舌几乎得不到淹没缓冲而呈现出远驱式水跃，如图1(a)所示。该状态时，高速射流水舌直冲水垫塘底板，巨大的动能转化为压能，导致底板承受很强的冲击压力。水垫塘底板在冲击压力的作用下容易造成失稳或止水破坏，塘内流态剧烈变化，对水垫塘的安全运行产生了很大影响。因此，在水垫塘设计和运行中，必须保证足够的水垫深度，以避免出现自由冲击射流这种不良流态。

(a) 自由冲击射流 (b) 淹没冲击射流 (c) 面流流态图1 水垫塘内的流态图

(2)淹没冲击射流。当下游水垫深度大于临界水深时，射流水舌受到水垫的顶托作用，射流主体将被水垫塘内的水体淹没包围，形成淹没冲击射流流态，如图1(b)所示。这时，水垫塘内为斜向淹没冲击射流与淹没水跃(壁射流)的混合流态，射流水舌入水垫塘后，沿射流主体方向可以分为三个不同特点的子区域，即：淹没射流区、冲击区和壁射流区。在淹没射流区时，主流近似被认为按照线性规律扩散，其时均速度沿流程逐渐衰减；在冲击区时，主流受到底板阻挡而发生转向，流线急剧弯曲，速度出现一个驻点，动能转化为压能，巨大的冲击动压作用在水垫塘底板上，该区域具有冲击射流的特征，底板失稳破坏主要发生在此处；在壁射流区时，主流转向后贴着底板向前运动，受周围水体挤压剪切作用沿程发生扩散并向上跃起，在水垫塘表层水体产生大尺度的翻滚和漩涡，类似于淹没水跃。淹没冲击射流这种流态是水垫塘设计上需要的，因为其充分利用了水垫塘的水深，能有效减弱水舌冲击动压，单位水体的消能效率高，下泄流量出二道坝后流态平稳，进而实现了上下游水流的平顺衔接。

(3)面流。当下游水深进一步增加，或射流入水角度变得较小时，射流水舌将很少射入水垫塘内部水体，而是直接冲击表层水体，形成表面水跃，称为面流流态，如图1(c)所示。这种流态会在水垫塘内形成巨大的涌浪，水面剧烈波动，大部分能量均溢出二道坝，使水垫塘失去原有的消能作用，并且可能会造成两岸边坡的冲刷。因此，面流流态也是应该避免出现的不良流态。

2 水垫塘内的水流扩散规律

高坝下泄水流进入河道时主要表现为射流流态。Mason[4]等探讨了射流入水厚度与水下扩散距离对冲刷坑深度的影响；Francis[5]则利用河流动力学原理进一步研究了壁面射流区的压力和速度变化，以及对河床冲刷的影响；Becker[6]等从微观角度测量了紊动射流的特性，得出大部分物理量沿射流分布存在良好自模性的结论。在设置水垫塘后，塘内的流态主要为淹没冲击射流，下泄水舌入水垫塘后，射流主体受周围静止水体包裹，两者间存在一个速度突变的间断面。在间断面上，静止水体与高速射流之间发生强烈的摩擦、剪切，静止水体将失去稳定而产生涡旋，涡旋卷吸周围水体，射流的流量沿流程逐渐增大，流速不断减小，但由于水垫深度有限，水垫塘底板仍会产生压力冲击区。因此，射流在水垫塘内的扩散和衰减规律对指导水垫塘消能设计十分重要。

对于射流流速的扩散规律，前苏联学者通过实验研究了射流在有限深度水垫塘内的扩散，发现射流沿程按照直线规律扩散，并给出了射流沿宽度方向上的变化规律。在不受水垫塘深度因素制约下，射流入水速度u0和射流中心流速um间的比值u0/um与流程S保持着良好的线性关系。余常绍[7]通过试验证实了该线性关系(式1)，并给出了射流扩散宽度计算式(式2～3)：

(1)

(2)

(3)

式中b0为射流初始宽度；b为射流沿程的全断面宽度；α为紊动扩散系数，α=0.067。

同时，日本学者安芸周一将最大时均压强转换为最大流速，也认为流速与流程间存在良好的线性关系， 流速沿流程按照式(4)的曲线规律衰减。

(4)

式中K为扩散系数，安芸周一建议取2.52。

以上均是由理论或试验得出的单股射流在水垫塘内的扩散规律。在实际工程中，特别是高拱坝工程采用坝身孔口分层多股出流，水垫塘内呈现为复杂的多股三元淹没射流流态，单股射流扩散规律必然需要进行一定的修正，刘沛清[8]通过整理、分析二滩和小湾等工程的相关资料，得出水垫塘底板冲击压强的计算公式：

(5)

式中 q为射流单宽流量；H为上下游水位差；H1为水垫塘内的水垫深度；β为射流入水角度。

3 结 语

水垫塘内存在自由冲击射流、淹没冲击射流和面流等水流流态。自由冲击射流易造成底板失稳或止水破坏，塘内流态变化剧烈，对水垫塘安全运行产生很大影响；面流在水垫塘内形成巨大的涌浪，水面波动剧烈，大部分能量均溢出二道坝，使水垫塘失去了原有的消能作用，可能会造成两岸边坡的冲刷。因此，在水垫塘设计和运行中应避免出现这两种流态。

单股冲击水流在水垫塘内流速与流程按照线性规律进行扩散，但是，这种规律仅是从理论或试验获得，对于实际工程，应修正单股射流的扩散规律。

[1] 谢景惠. 高坝枢纽消能防冲方式选择综述. 泄水工程与高速水流论文集[M]. 成都: 成都科技大学出版社, 1994.

[2] 张丽花, 张志恒. 高拱坝下游水垫塘体形比选试验研究[J]. 西北水电,2010,34(3):34-37.

[3] 齐元田. 高拱坝的泄洪消能问题研究[D].河海大学硕士学位论文,2006.

[4]Mason,P.J.andArumugan,K.Freejetscourbelowdamsandflipbuckets.J.Hyd.Engrg.ASCE. 111(2), 1985: 220-235

[5]Francis,J.P.D.andMcCreath,P.S.Bedloadtransportbysubmergedjets.Pore.Nat.AcademyofScience,76(9),1979: 4159-4161.

[6]Becker.H.A.,H.C.HottelandG.C.Williams,Thenozzle-fluidconcentrationfieldoftheroundturbulentfreejet,J.FluidMech.,1967,30: 285-303.

[7] 余常昭. 射流冲刷作用及分散搀气影响的研究[J]. 水利学报, 1962,6(2):22-36.

[8] 刘沛清, 李福田. 高坝下游水垫塘内典型流态演变问题探讨[J]. 水利学报, 2001, 32(10)：38-43.

(责任编辑：李燕辉)

2016-10-10

TV7;TV31;TV32;TV

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1001-2184(2017)01-0098-02

尹杨松(1981-)，男，安徽当涂人，工程师，硕士，从事水工水力学、水电规划发展和市场营销工作.