一种新型消能结构水力试验研究

吴福珍 励泽 祝银玥

摘 要：针对普通挑流消能效果不突出、造成下游严重冲刷等问题，本文在普通溢流坝结构及消能机理基础上提出了一种新型消能结构，通过分道挑流形式大大提高了消能效率，减少了下游冲刷。并通过室内水力试验，试验结果表明，该消能结构消能效果显著。

关键词：挑流消能;消能结构;消能率;水力试验

0 引言

水坝是拦截江河水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑物，具有调节径流、防洪、供水、发电、等功能。但水坝泄洪常常是水利工程设计者棘手的问题，地质条件差，挑流消能造成的严重冲刷，会使河岸崩塌，甚至威胁主体工程安全。大型水库泄洪消能更是十分艰巨的任务，普通的消能方式（挑流、底流、戽流）均无法收到良好的消能效果。因此，水坝泄洪消能长期以来一直是水利科技人员非常重视的问题[1-2]。

本文在普通挑流消能溢流坝坝面结构及消能机理基础上提出了一种新型消能结构，通过物理模型水力试验，验证了该新型消能结构消能的高效性，结果可为水坝泄洪消能提供参考。

1 装置构造及工作原理

1.1 装置构造

新型消能结构，由溢流坝体、溢流坝面、挑流弧底、低层挑流道、高层挑流道、高层挑流导流道、高层挑流道分水尖组成，分水尖把高层挑流道左右分为两个高层挑流导流道。溢流坝面到达挑流弧底时分道挑流，低层挑流道曲率半径大于常规挑流弧面，高层挑流道曲率半径小于常规挑流弧面，如图1所示。

1.2 工作原理

新型消能结构工作时，水流从溢流坝顶流出，通过溢流坝面下泄到挑流弧底，经过低层挑流道和高层挑流道分成高低两股水流及夹带的气体，高层挑流导流道把泄流铅直向挑起的同时将泄流水平向导向低层挑流道方向，通过挑流鼻坎后的射流恰好抛到低层挑流道的射流上方，由于高层挑流导流道的射流高因而近，低层挑流道的射流低因而远，高层挑流导流道的射流从高处落下恰恰砸到低层挑流道的射流，两股水流及夹带的气体强烈碰撞、掺合，起到高效消除能量作用。为提高消能效果，可以将高低挑流道设置成不同尺寸。

2 新型溢流坝消能效果水槽试验

2.1试验场地及试验模型

试验在浙江水利水电学院水流动力学试验室进行，试验仪器为浙江大学毛根海教授团队自主研制的自循环供水箱、潜水泵的新型自循环明渠实验槽（型号：MGU-FF3-2-3），水槽长度l=35cm，宽度b=10.0cm，最大进口流量Q=20m?/h，模型放置于试验水槽中进行防浪结构冲刷试验。利用高速相接抓拍试验中的水流消能形态（佳能750D，EF-S 18-135 1：3.5-5.6 STM）。

试验模型以某溢流坝为原型高10.8m，模型高10.8cm，模型几何比尺1：100，按正态、重力相似准则设计，并考虑阻力相似，模型全部采用光敏树脂材料进行3D打印制作而成（表面处理十分光滑），且模型上设置3条高层挑流道数、4条低层挑流道、3个分水尖以及6条高层挑流导流道，同时制作一个普通的溢流坝结构作为对比试验，如图3所示，图中左侧为普通溢流坝模型，右侧为新型消能结构模型。

2.2 消能率计算

2.3 试验一：消能效果对比观测试验

采用新型消能结构模型与普通溢流坝模型，进行消能效果对比观测水槽试验。利用水槽下的阀门控制上游水位高度，分别观测上位水位处于高、中、低状态水流下泄时新型溢流坝结构与普通溢流坝结构在横截面的挑流形态的区别，印证新型消能结构的消能能力[6]。

（1）低水位下消能效果

试验时调节阀门控制上游水位为11.5cm，待水位稳定后观察，利用高速摄像机连续拍摄挑坎挑起水流时的形态，试验结果如图3所示，从对比图中可见，两股水流碰撞、掺合程度较小。

（2）中水位下消能效果

试验时调节阀门控制上游水位为12.1cm，待水位稳定后观察，利用高速摄像机连续拍摄挑坎挑起水流时的形態，试验结果如图4所示，从对比图中可见，两股水流碰撞、掺合程度明显变大，消能效果较明显。

（3）高水位下消能效果

试验时调节阀门控制上游水位为12.7cm，待水位稳定后观察，利用高速摄像机连续拍摄挑坎挑起水流时的形态，试验结果图5所示。从对比图中可见，两股水流碰撞、掺合程度明显，消能效果显著。

新型消能结构使下泄水流实现分道挑流，高层挑流导流道的射流从高处落下恰恰砸到低层挑流道的射流，两股水流及夹带的气体强烈碰撞、掺合，水流被明显的消能，印证了前文所述，并且较普通溢流坝试验效果而言，消能效率有着实质性提升。

3 结论

通过物理模型水力试验，发现该新型消能结构具有高效消能的特点，与普通溢流坝结构相比，新型消能结构在上游水流泄下时，利用分道挑流，促使高低挑流道两股射流相互碰撞，消减大量下泄能量的消能原理，能够达到很好的消能防冲刷效果。

参考文献

[1]肖兴斌.中小型水利工程消能工的新发展[J].长江水利教育，1995，12（3）：58-63

[2]吕会娇.玉滩水库工程溢洪道水工模型试验研究[J].水利水电工程计，2013，32（1）：43-47

[3]罗佳敏，秦鹏.一种新型护坡结构的防浪消能效果水力试验[J].浙江水利水电学院学报，2018，30（5）：24-27.

[4]浙江水利水电学院.一种高效泄洪溢流坝坝面结构[P].浙江：ZL 2016 1 0641863.6

[5]吴持恭.水力学 [M].高等教育出版社，2011.

[6]徐兆凯，谢锋，李东风.拦沙把对上游桥梁冲刷防护的效果测试及分析[J].浙江水利水电学院学报，2017，29（1）：18-23.

基金项目：浙江省水利厅科研基金（RC1923）