跌坎型底流消能工跌坎深度在工程优化设计中的应用

杨宇　张家明　陈维亮

摘要：以某工程导流泄洪隧洞底流消能工为试验研究对象，原方案试验中，在闸门半开工况下，下泄水流出现脱离泄槽底板现象，不利于下泄水流的消能，经研究，改变压坡段底板坡度，同时将泄槽的两个坡段改成一个坡段；原方案底流消能工消力池内均发生远驱式水跃，消能效果差，通过研究采用以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度计算公式，确定消力池底板高程。经两次优化试验后，消除了闸后水流脱离泄槽底板的现象，下泄水流流态稳定，消力池内形成稳定的淹没水跃消能，出池水流与下游水流衔接较好，消力池内临底流速和时均动水压强均明显降低，消能效果好。

关键词：跌坎型底流消能工；跌坎深度；临底流速；消能效果；水力学试验

中图分类号：TV653 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0170-06

跌坎型底流消能工是一种适用于高水头、大单宽流量消能的新型消能工。它是在常规底流消能的泄槽末端将底板竖直向下开挖形成适当高度的跌坎而形成的。如图1所示，由于跌坎的存在，消力池前端形成一定厚度的水垫，不仅增大了入射水流的射程，而且增加了下泄水流的消能水体。根据紊动射流衰减规律，主流流速沿程减小；水流进入消力池后形成淹没射流，主流附近形成漩涡与消力池内的水体发生强烈的紊动、剪切、掺混作用。因此跌坎有效降低了消力池内的临底流速，时均动水压强等水力学指标。与传统的底流消能相比，跌坎型底流消能工提高了消能效率，消力池内水流流态稳定，有效解决消力池底板抗冲保护难度大的问题，扩大了底流消能工的工程应用范围。跌坎深度直接影响消力池内水流流态，临底流速及消能率，因此，选择一个合适的跌坎深度是确定消力池体型的关键所在。

1工程概况

某水库位于云南省永仁县。水库坝址距离永仁县城53 km。水库最大坝高为95 m，正常蓄水位为1846 m，总库容为2 391.5万m³。水库工程规模属中型，工程等别为O等。工程由水库枢纽、引水工程及输水工程组成，水库枢纽主要由拦河坝、溢洪道、输水泄洪放空隧洞组成。输水泄洪放空隧洞布置于左岸，采用“龙抬头”和导流隧洞结合而成，输水泄洪放空隧洞进口底板高程为1 801.30 m，全长456.18m，其中洞身段长357.68 m，与导流洞结合段长230.3 m。输水泄洪放空隧洞为有压洞，洞身为直径3.0 m的圆形断面，出口段设工作闸室，设1道2.5 m×2.5 m弧形工作闸门控制泄洪，设计消力池长38 m，池宽8 m，边墙项部高程为1 756.78 m，底板高程为1750.78 m。原隧洞出口及消能段纵剖面图和平面图见图2、图3。2试验模型

试验模型按照重力相似准则进行设计，并满足阻力相似要求，模型比尺为1：40。试验模型由水库、溢洪道，泄洪隧洞、消力池、尾水护坦段及下游河道组成，泄洪隧洞和消力池均采用8 mm厚透明有机玻璃制作而成，消力池尾水护坦段采用水泥砂浆抹面，用动床料模拟下游河床，在消力池底板上沿程安装测压管。模型试验工况共7个：P=0.1%，P=0.5%，P=2%，P=3.33%，P=5%，P=10%，P=20%，选取特征工况作为分析对象，如表1所示，设计（P=2%）、消能防冲（P=3.33%）以及闸门半开（P=20%）这三种工况。

3原方案存在的问题及解决思路

3.1原方案存在的问题

工况3进行试验时发现：闸后下泄水流脱离泄槽底板，冲击消力池底板，极易引发冲刷破坏，进而诱发空蚀破坏；入池水流流态不稳定，消能效果差。

原方案为底流消能，试验发现各工况下消力池内均发生远驱式水跃，水流流态不稳定，临底流速较大，消能效果差，对下游河床有较大的冲刷。

3.2原方案问题解决的思路

工况3为闸门半开，若为理想水体，则闸前闸后水流流线呈对称分布。实际水体具有黏滞性，出闸水流流线有向上的趋势，形成脱离泄槽底板的水流，不利于消力池消能。需改变出闸水流的方向以消除水流流线向上，使水流贴底板下泄，同时对泄槽段进行优化，使入池水流平顺。

发生远驱式水跃是由于消力池内消能水体不足，因此必须优化消力池体型以增加消能水体方能提高消能效果、降低消力池出池流速、避免下游河床受到冲刷破坏。

3.3原方案问题之一的解决措施

针对闸门半开时下泄水流出现脱离泄槽底板现象，在不影响控制段过流能力的条件下，改变压坡段底板坡度，与压坡段顶板坡度保持一致，为1：6.5；将泄槽的两个坡段改成一个坡段，坡度为1：6.97。隧洞出口与泄槽段纵剖面图和平面图如图4、图5所示。压坡段底板改变了出闸水流的方向，消除了水流泄洪段脱离底板现象，坡段的改变使入池水流平顺，有利于消力池消能。

3.4原方案问题之二的解决措施

原方案问题之一解决后，试验发现各工况下消力池内仍出现远驱式水跃。为了避免消力池内出现远驱式水跃，以减轻对底板的冲刷，必须加大池内水深，使入池水流形成淹没底流流态。跌坎深度直接影响消力池内的水流流态、临底流速、时均动水压强、消能率等水力学指标。跌坎深度过小，主流的射程缩短，相应的临底流速会增大，消能效果不佳，且消力池中冲击区会存在强烈的漩滚，对消力池的安全稳定不利；跌坎深度过大，一方面工程造价会提高，另一方面虽然降低了临底流速和脉动压强，但是消力池内容易形成淹没混合流，高速水流不再临底，而是出现在消力池水体的中上层，使得表面流速大，波动大，消能效果差，出池余能也较大。因此选择一个合适的跌坎深度是设计消力池至关重要的因素。根据紊动射流理论，研究得到以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度计算公式如下。

如图6所示的几何关系：

为确定射流扩散系数和射流扩散角，采用水力学试验的方法，对跌坎型底流消力池进行试验，分别测量了入池角度为15°、30°、45°及跌坎深度分别为6、8、10 cm等21个工况下的下泄流量及水头、入池水深、流速、特征断面流速和底板压力分布。通过式（3）計算射流扩散系数和射流扩散角，然后对计算结果进行加权平均。初步计算得σ=2.99和θ₂=12.06°，选取其中13个工况进行验证分析，各工况下最小跌坎深度理论值与实际坎深的比较见表2。

由表2可知，最大相对误差为5%，说明最小跌坎深度理论值与试验值具有良好的吻合性。工程消力池底板采用C35钢筋混凝土衬砌，根据《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》，在通过的流速小于15 m/s的消力池，宜采用C35、C40的混凝土。基于此，运用以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度公式，计算得坎深为3 m。工况二，入池角度8.2°，坎深3 m，入池流量为121.4 m³/s，实测入池流速为28 38 m/s，实测入池水深为3.2 m，消力池内实测最大临底流速为12.34 m/s，用该方法计算得最大临底流速为12.40 m/s，说明该方法具有较强的可靠性。在原方案的基础上将消力池底板高程整体降低3 m，各试验工况下消力池内均发生淹没水跃，临底流速明显降低，出池水流稳定，消能效果好。因此最终隧洞出口及消能段纵剖面图和平面图分别如图7、图8所示。

4试验结果分析

4.1水面线

水面线测点沿隧洞出口及消能段中轴线布置，各试验工况下测得特征点处的水面线高度沿程变化趋势如图9所示。各工况下泄槽段（里程370 m至399 m）水流流态稳定，没有出现下泄水流脱离泄槽底板现象；消力池内（里程399 m至437 m）均发生淹没水跃，水面线先壅高后降低，出池水流流态稳定。

4.2流速与混凝土强度

各试验工况下消力池内实测最大临底流速分布如表3所示。根据《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》，在含沙量小于或等于2 kg/m³情况下，通过的流速大于25 m/s的消力池底板，宜采用强度等级为C40及以上的混凝土；通过的流速在小于15 m/s范围内，C35的混凝土即满足要求。在消能防冲工况下（工况2）原方案消力池内最大临底流速为26.0 m/s，优化方案中消力池内最大临底流速为12.34 m/s，可知消力池设置跌坎后下泄水流能量得到充分耗散，底流速極大衰减，从而降低了对混凝土的强度要求。

4.3时均动水压强

沿消力池底板中轴线布置7个压力测点，测得各试验工况下消力池底板时均动水压强沿程变化趋势如图10所示。各工况下时均动水压强变化趋势一致，先急剧增加，后减小到最小值再缓慢增加，这是由于入射主流到达消力池底板的过程中，主流轴线最大流速极度衰减，一部分动能转化为消力池底板上的压能，导致冲击区底板时均动水压强急剧增大；由于跌坎的存在，增加了消力池内的消能水体，增大了入射水流的射程，主流流速沿程衰减，在冲击与附壁射流交界区域主流射向底板发生转向，主流再附后形成淹没水跃，淹没系数变大，时均动水压强减小；在附壁射流区呈现流速降低，水深增加，时均动水压强缓慢递增。

5结论

本文以某工程为例，研究了在高水头条件下，跌坎型底流消能工跌坎深度在工程优化设计中的应用问题。通过优化隧洞出口段和消能段稳定了入池水流，降低了消力池内各项水力学指标，成功解决了消力池内出现远驱式水跃问题。基于紊动射流理论，采用以最大临底流速为控制目标的跌坎深度计算公式确定跌坎深度，通过水力模型试验表明，具有较好的合理性和可靠性，可为其他实际工程提供参考。