过水围堰消能平台水垫池水力试验研究

2017-03-22陈云良

中国农村水利水电 2017年5期

赵琼，陈云良，徐永，王波，杨华

(1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

采用过水围堰溢洪的导流方式可减小导流建筑物的规模，具有降低工程造价、缩短工期的优势[1]。作为临时水工建筑物，土石过水围堰的抗冲刷能力较弱，溢洪时一旦堰面、堰脚局部冲开缺口、填充料被掏，极有可能发生溃堰事故，将严重影响基坑施工、威胁下游安全[2,3]。寻求改善围堰溢洪水力条件的方法，减轻水流对堰面的冲刷，对保障过水围堰的度汛安全有重要的现实意义[4]。对土石过水围堰护面水力研究方面目前已有不少成果。张微[5]通过土石过水围堰水工模型试验，研究了混凝土楔形面板上脉动压力的特征。杨磊[6]对土石过水围堰整体护面板的脉动压力分布规律及其特性展开研究，得出现浇混凝土整体护板上脉动压力分布与坡比、流量、水跃位置的关系和变化规律。陈云良[7]采用数值模拟方法对楔形护板开展水力研究，给出了跌坎处发生的回流、旋涡及负压等定量成果。

在过水围堰的背水面设置消能平台，使得水流沿堰面斜冲加速后转向，从急流过渡为缓流，即通过水跃与下游衔接，是目前解决过水围堰消能防冲的主要途径。谢祥明[8]对两过水土石围堰不同破坏程度原因进行了分析，提出应合理设计挑流平台的高程，以保证挑流平台跃后高程与下游水面顺接，实现面流消能。潘露[9]通过双江口水电站土石过水围堰试验研究，发现由于上、下游围堰相距较远，上游围堰堰脚高程高于下游围堰堰顶，导致上游围堰堰脚处水深较浅、基坑水位较低，堰面消能防冲平台上不能形成面流或水跃消能。杨志雄等[10]在天生桥一级水电站土石过水围堰设计中，将上游围堰挑流平台高程较下游围堰顶高降低2.2 m，保证了平台过流时有足够的水垫深度、实现面流消能。

由于消能平台上水流急转向、其底流速较大，消能平台底板承受的冲击力和脉动压力均较大。特别在过水围堰落差较大时，为实现水流转向和消能防冲，将会需要有较长的消能平台，工程量增加较多，作为临时水工建筑物来说不太经济。因此，寻求改善消能平台水力条件的方法，对保证过水围堰溢洪安全具有现实意义。陈云良[11]结合工程实际提出一种用于过水围堰消能平台的“水垫池”技术，并提供了几何结构的估算方法。在消能平台上设置水垫池相当于修一个浅消力池，该技术施工简便、工程量小，具有可行性，可以提高围堰参与溢洪所带来的显著经济效益。

过水围堰的冲刷一般发生在上游斜坡、平台与上游斜坡的交界处，以及平台下游护面和堰脚，课题组在专门制作的水工试验装置上，系统研究了过水围堰溢洪的水力参数[12]。本文主要探讨设置水垫池时消能平台上的水力特性，并与无水垫池时进行对比分析，为消能平台水垫池技术的应用提供科学依据。

1 水力试验设计

1.1 消能平台水垫池技术

过水围堰背水面一般设置的消能平台，如图1中实线所示，为消能平台的长度，一般根据实现水跃消能进行设计。结合土石过水围堰溢洪水力特性研究探索，提出在消能平台前部设置“水垫池”，如图1中虚线所示，可实现过堰水流与下游平稳衔接。该项技术主要涉及两个参数：水垫池长度Ls和水垫池深度hs。基于消能平台水跃消能，水垫池长度可按Ls=KsL确定，Ks定义为水垫池长度系数；结合工程实际情况，水垫池深度hs可参考一般消力池池深计算方法来确定。

图1 消能平台水垫池结构Fig.1 The water-cushion pool structure for energy dissipation platform

1.2 试验装置

采用便于观察的有机玻璃制作过水围堰溢洪系统，试验装置见图2。顺水流方向堰顶宽0.10 m，围堰迎水面坡度为1∶1.5、背水面坡度为1∶3.5；消能平台总长0.30 m，与堰顶高差为0.15 m；消能平台下游坡度为1∶1.5，延伸至基坑。消能平台下预留水槽，方便设计水垫池的各种方案。为保证上游来流均匀平稳，在进水管后设置一道稳水孔板；为方便控制不同工况时对应的基坑水位，在出水管前设置挡水板。

设计了3个水垫池方案以及无水垫池方案进行水力试验，对比研究过水围堰溢洪时消能平台水力特性的差异。由一般消力池池深公式计算出水垫池深度h的范围在0.01～0.03 m，试验中分别设置hs=0.015和0.030 m，如表1所示。

参照澜沧江功果桥水电站土石过水围堰设计的5个典型工况进行模型试验，工况①～⑤相应单宽流量分别为3.45×10-3、8.15×10-3、18.55×10-3、25.75×10-3、33.15×10-3m3/(s·m)。流速采用旋桨流速仪进行测量，消能平台上的压力采用测压管测量。

表1 试验研究方案Tab.1 The schemes of experimental study

2 试验结果分析

2.1 溢洪流态

图3为工况③时消能平台的溢洪流态对比照片，可以看出：无水垫池时，跃首位置在消能平台中间靠前附近，主流贴底

图2 过水围堰试验装置Fig.2 Test device of overtopped cofferdam

图3 消能平台溢洪流态(工况③)Fig.3 Flow patterns of energy dissipation platform

板冲入下游护坡。水垫池方案一时水流直冲尾坎，水垫池作用不明显，随后主流翻滚流出平台末端、冲入下游护坡。水垫池方案二时跃首位于消能平台进口附近，水垫池内水流发生水平旋滚，消能较为充分；受尾坎的顶托作用，主流转向下游水面，与下游基坑平稳衔接。

随着泄洪流量增大、下游基坑水位抬高，无水垫池时，水跃位置向上游移动，水跃由远驱式水跃变为淹没式，如图4(a)所示工况⑤。水垫池方案二、方案三时，水垫池内形成稳定的水跃，如图4(b)、4(c)所示工况⑤。

图4 消能平台溢洪流态(工况⑤)Fig.4 Flow patterns of energy dissipation platform

分析认为：水垫池的设置相当于增加了水垫深度，特别在下游基坑水位相对较低、消能平台水深较浅时，有利于改善消能平台的消能效果。

2.2 流速分布

表2中列出各方案、不同工况下，围堰溢洪时消能平台进、出口水流流速的实测值。小洪水工况①、②时，水垫池方案一、二、三消能平台进口流速实测值分别为0.80～1.05、0.69～0.86、0.75～0.85 m/s，较无水垫池时的1.22～1.45 m/s明显减小。随着溢洪流量增大、平台水深增加，水垫池作用相对减小，消能平台进口流速与无水垫池差别不大。水垫池方案三、水垫较厚，工况⑤时平台进口流速相对较小。

消能平台出口处，不同工况下水垫池方案一、二、三对应的流速实测值范围分别是0.21～1.21、0.19～0.74、0.26～0.70 m/s，与无水垫池时的0.85～1.33 m/s相比，均有所降低。工况⑤时，水垫池方案二、三消能平台出口流速不超过0.70 m/s，明显小于无水垫池时的1.31 m/s；水垫池方案一池长相对较短，下泄水流直冲尾坎、翻滚出平台，出口流速为1.21 m/s。

分析认为：水垫池方案一时长度不足，水垫效果不理想。水垫池方案二、三消能平台出口流速较无水垫池时明显降低，可减轻水流对下游堰脚的冲刷破坏，增强围堰的过流稳定性。

表2 消能平台进、出口流速对比 m/s

2.3 压力特性

过水围堰消能平台底板承受水流转向的冲击力，压力特性对围堰结构稳定至关重要。图5给出了各方案、不同工况下消能平台底板压力分布的实测结果。图5中相对压力由公式(P/ρg)Δh算出，其中P/ρg为测压管水头，Δh为堰顶与消能平台的高差，取0.15 m。表明：① 无水垫池时消能平台进口处，由于水流转向压力出现峰值，之后略有减小，在平台出口附近随着基坑水位增高压力又逐渐增大。②与无水垫池时压力峰值出现在消能平台进口附近不同，受水垫池尾坎的顶托作用，底板压力峰值出现在尾坎附近、随后降低，与一般消力池的压力分布类似。③水垫池的设置相当于增加了平台上的水垫深度，可以缓解平台进口的冲击力，改善底板的受力条件。

图5 各方案下消能平台底板压力分布Fig.5 Distribution of floor pressure of energy dissipation platform under different schemes

2.4 消能率

根据水力实测结果，以消能平台底板为基准，选取围堰上游和消能平台出口两个断面进行消能率计算。图6给出了各方案下过水围堰消能率随下泄流量的变化。工况①时，各水垫池方案的消能率在82.68%～83.81%，与无水垫池时的77.54%相差不大。工况②～⑤时，水垫池方案二、三的消能率在50.84%～78.42%，较无水垫池时的33.89%～62.15%、改善较为明显。水垫池方案一、工况⑤时，水垫池作用不理想、消能率为30.63%，小于无水垫池时的35.55%，总体来说，水垫池方案二、方案三的消能效果较好。