阶梯式消能在坝口河水库溢洪洞中的应用

段胜禹，邱 勇，陈秋蓉，王尚今，李鑫龙

(云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201)

通讯作者：邱 勇(1971年—)，男，教授。

坝口河水库坐落于云南省镇雄县乌峰镇，位于乌江一级支流六冲河的右岸支流上，总库容为1375.20万m3，坝高为71.40m。水库校核洪水位(P=0.1%)为1608.78m，下泄流量为110.36m3/s；设计洪水位(P=2%)为1607.93m，相应流量为52.57m3/s；消能防冲洪水(P=3.33%)下泄流量为49.76m3/s。枢纽建筑物包括沥青心墙土石坝、溢洪洞、输水隧洞、泄洪(导流)放空洞。

溢洪洞轴线靠左坝肩布置，全长336.690m，由进口段、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠段组成。

进口段(溢0-006.038—溢0+000.000)为圆弧导墙，底坡为平坡，底板高程1602.000m。控制段(溢0+000.000—溢0+011.600)采用WES实用堰，长11.60m，堰顶高程为1605.000m。下接1∶1.087的第一泄槽段(溢0+011.600—溢0+058.810)，后经反弧衔接1∶25的第二泄槽段(溢0+058.810—溢0+278.000)，宽度为5.00m，总长342.718m。消能段(溢0+278.000—溢0+317.000)采用底流消能，消力池长40.00m，宽5.00m，池深为1.50m，底板高程1549.70m。尾水渠段(溢0+317.000—溢0+336.680)坡度为1∶50，长18.70m，宽为5.00m。消能后水流直接进入河道。具体布置如图1所示。

坝口河溢洪洞出口和下游河道近为正交，且右岸山体岩层为顺向坡，出池水流直冲对岸，影响右岸岸坡稳定。

1 原设计方案试验情况

溢洪洞原设计采用光滑泄槽+消力池的方案。根据水工模型试验研究，在消能防冲设计工况下，原设计体型溢洪洞反弧段末端断面(里程0+058.810)流速达23.21m/s，消力池进口处断面流速达17.05m/s。消力池未形成有效淹没，下泄水流呈挑射状进入下游河道，流态极为紊乱，河道及岸坡冲刷在所难免。

此外，高水头泄水建筑物泄洪时下泄水体能量较大，同时掺带大量气体，导致下游河道溶解气体过饱和。而过饱和的水体会导致河道内鱼类患气泡病，甚至给水生生物特别是鱼类带来毁灭性的灾难[7]。

2 阶梯布置设计

针对上述问题，考虑在第一泄槽段增设阶梯，以减轻出口消能压力，同时改善下游河道水流掺气现象：阶梯位于里程0+010.060—0+058.810，起始断面和控制段抛物线相切，出口位于原反弧段末端。台阶高度0.60m、长度0.75m，阶梯数量65级，如图2所示。

图1 溢洪洞纵断面图

图2 第一泄槽段阶梯布置示意图

3 阶梯消能水力特性

3.1 特征工况流速变化

流速表征流体在单位时间内流过的距离，大小可以反映底板稳定、冲磨破坏及空蚀破坏的影响。

通过水工模型试验，测得增设阶梯后，反弧段末端和消力池进口的流速见表1。

由表1知，对于原设计体型，在里程0+058.810(反弧段末端)处，5年一遇洪水流速已达20.63m/s，增设阶梯后，流速下降至12.97m/s，降幅37.13%；设计洪水情况下，流速为23.73m/s，下降至16.82m/s，降幅为29.12%；校核洪水时，流速从28.04m/s下降至21.91m/s，降幅21.86%。

由于第二泄槽段产生壅水曲线，在消力池进口断面(里程0+278.000)，上述工况下的流速较之反弧段处下降幅度均超过20%。

表1 增设阶梯前后不同工况特征断面流速变化情况 单位：m/s

注：v1、v3是原方案特征断面流速；v2、v4是增设阶梯后特征断面流速。

结合流态分析，5年一遇洪水流量时，里程0+017.060处水深0.51m，阶梯泄流已为滑行水流，但阶梯切割作用仍然较为明显，角隅处可见少许的气泡旋滚；里程0+020.810附近，角隅处的气泡旋滚已经扩大为稳定的漩涡，表明沿程水流渐趋紊乱；同时，阶梯水体表面的水气掺混显著增强，水气交界面呈现明显的乳白色。随着水深进一步减小(0.39m)，里程0+041.450处，泄流开始表现出过渡水流特征，阶梯的加糙作用更为明显，角隅处有顺时针方向的漩涡，部分角隅处偶见密闭空腔，水体内部紊动增强；阶梯末端(里程0+058.810)水深(0.34m)进一步减小，水流近呈跌落状进入第二泄槽段，阶梯角隅处可见回水空腔。

设计洪水流量时，整个阶梯上水体均表现为滑行水流：自里程0+010.060开始，泄流水体均呈透明状，阶梯几乎未对水体产生有效切割；在0+033.941(水深0.56m)处，角隅处出现气泡旋滚，表明阶梯切割作用逐渐显现，里程0+038.441开始，角隅处趋于稳定，阶梯水流表面开始自掺气；阶梯末端(水深0.53m)角隅处有稳定的顺时针漩涡，尺度达0.60m。

校核洪水流量时，阶梯上为完全的滑行水流：自堰顶(水深3.41m)以下，阶梯作用不明显，只是在里程0+048.200处(水深0.54m)，可以观察到角隅处的稳定漩涡，尺度为0.45m；阶梯末端角隅处的漩涡随同水流下泄，断面水深0.53m，小于原设计的隧洞直墙高度，表明增设阶梯后，原有隧洞净空能够满足要求。

3.2 能量变化及阶梯消能率

水体所具有的能量(泄洪功率)表征下泄水体对下游的冲刷能力。通过试验，测试得到增设阶梯后特征断面的能量变化情况见表2—3。

表2 增设阶梯后不同工况特征断面能量变化情况

注：E1为原设计体型反弧段末端断面能量；E2为增设阶梯后反弧段末端断面能量；η1为阶梯消能率。

根据表2，第一泄槽段增设阶梯后，在反弧段末端(里程0+058.810)，消能防冲洪水时，下泄水体能量水头由27.91m下降至13.21m，消能率达到52.67%。即便是设计洪水，阶梯消能率也可达到51.01%；校核洪水情况下，阶梯消能率为42.86%。

消能防冲洪水流量时，整个阶梯上水体均表现为滑行水流：自里程0+010.060—0+031.690，阶梯以上水体呈透明状，阶梯的加糙作用不明显；从里程0+031.690—0+058.810，阶梯角隅处同样可见顺时针方向横轴旋涡，阶梯的加糙作用增加明显，水流紊动增强，水体之间的碰撞以及水体和固体边界之间的摩擦、撞击加大，整个阶梯上部水体呈现为乳白色的水气混合流。亦即，下泄水体的位能，相当一部分已经通过水体内部的旋滚、撞击以及和固体边界的摩擦，转化为热能耗散。

随流量增加，阶梯对下泄水体的加糙作用下降，水流流态趋于好转：无论是设计洪水，还是校核洪水，其反弧段断面的消能率均有降低。

表3 不同工况消力池进口断面能量变化情况

注：E3为原方案消力池进口断面能量；E4为改进后消力池进口的断面能量。

由表3可知，第一泄槽段增设阶梯后，在消能防冲洪水情况下，消力池进口断面(里程0+278.000)能量由15.41m下降为9.51m，设计洪水、校核洪水亦即其它特征工况对应洪水下的能量也有明显降低。消力池进口能量的减小，有效改善池内水体紊动程度，消能后水体掺气量相应减轻，水体溶解气体饱和度下降，客观上减轻了消能后水体对下游河道水生动物原有栖息环境的不利影响。

3.3 小流量(常遇洪水)流态演变

对于水库运用而言，溢洪洞能够遭遇到的洪水多为小流量。阶梯消能需要避免在常遇洪水情况下受到破坏。

根据试验研究，得到坝口河水库溢洪洞第一泄槽段增设阶梯后，小流量情况下的水流流态演变如图3所示。

图3 阶梯水流流态示意图

流量逐渐增大时，阶梯上开始出现附壁水流，水体沿阶梯呈折线状贴壁下泄，然后水体直接跌落在阶梯上，形成多级跌水。由于固体边界限制，跌落水体和阶梯侧壁可见密闭的空腔，空腔内无积水，整个阶梯上的水体呈“Z”型下泄。随着流量继续增大，水体的跌落点沿阶梯长度方向前移，空腔变大，空腔内开始出现积水如图3(a)所示。

当流量大于1.24m3/s时，水体开始淹没阶梯，水流跌落现象逐渐消失，部分阶梯空腔消失，在角隅出现沿泄流方向旋滚的水体，部分阶梯处空腔仍旧存在，此时，阶梯切线上层可见一层乳白色的水汽混合体，与阶梯角隅处水体很好的融合如图3(b)所示。当流量为6.70m3/s左右，阶梯角隅处空腔都消失，可见稳定的水体旋滚，此时过渡水流开始向滑行水流过渡。

当水库洪水超过5年一遇(Q=25.4m3/s)，溢洪洞下泄流量达到26.40m3/s时，整个阶梯段为完全滑行水流如图3(c)所示。阶梯沿程上段可见明显的清水区、掺气发展区(阶梯角隅处有顺时针方向水体旋滚)和掺气均匀区(顺时针方向的旋滚尺度加大，上层水体呈现为乳白色的水气混合流)。

综上所述，常遇洪水在阶梯上形成跌落水流或过渡水流所对应的流量值均较小，对阶梯的安全稳定运行不构成威胁。

4 结语

根据坝口河水库水工模型试验研究，得出如下结论：在第一泄槽段增设阶梯后，消能防冲洪水时，阶梯能够有效消减水体能量，消能率达到52.67%，消力池进口流速下降至13.01m/s，原有消力池体型能够满足水流平顺要求；即使在校核洪水时，消能率仍可达到42.86%。此外，坝口河水库溢洪洞阶梯跌落水流和过渡水流的界限值为1.24m3/s；流量6.70m3/s时，过渡水流开始向滑行水流过渡；流量超过26.40m3/s后，阶梯上形成完全的滑行水流。

增设阶梯后，溢洪洞第一泄槽段消能效果明显，有效减轻了出口消力池内水体紊动，使消能后水流含气量降低，对下游河道具有明显的生态效益。