某闸坝工程跌坎底流消力池体形优化试验研究

崔晓玉，李奇龙，李大贵，张宗孝

(西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048)

目前国内修建了很多以灌溉、发电、防洪为主要任务的水利闸坝枢纽工程，工程建设中遇到很多需要解决的问题[1-3]。低弗劳德数水流的消能问题是闸坝建设难题之一[4-5]。低Fr水流易在消力池内产生波状水跃，消能效率低、跃后余能大，易引起下游河道基岩的冲刷。工程中常采用多级消力池、池内增设辅助消能工等措施来改善消能[6-8]。黄河天桥水电站泄洪闸在设计与校核洪水流量时，消力池流态及消能不满足要求，呈远驱式水跃，后消力池采用折线型，且池长增至64 m，改善了池内水流条件，实现了充分的水跃消能[9]。但由于池长增加、消力池折线型设计，体型复杂、工程造价增加。辽宁清原水库泄洪道泄洪具有低Fr、消能率低特点，经研究采用加深消力池，在护坦段加设消能墩的措施来消除余能，平顺水流[10-11]。本文以某水电站工程为例，针对闸孔局开时，下游水位低、单宽流量大、入池水流Fr小，消力池内易存在不稳定水跃流态和消能率低等问题，进行了消力池的体型优化研究，并提出一种适应水流条件强、流态稳定、消能充分、简单经济的消力池体型。

1 工程概况

本工程为混凝土闸式溢流坝，坝顶高程247 m，最大坝高58 m。挡水建筑物从右到左为右岸非溢流坝段、右7孔冲砂泄洪闸坝段、右导墙坝段、左5孔冲砂泄洪闸坝段、左导墙坝段、主机间坝段、安装间坝段。其中左5孔冲砂泄洪闸坝段为主要的泄洪消能段，闸室后接消力池，该段共5孔闸室，单孔净宽14 m，闸墩厚4.5 m，采用弧形闸门控制水流。消力池采用底流消能方式，为小挑角跌坎消力池。左5孔的中孔冲砂泄洪闸纵剖面见图1。该工程采用百年一遇洪水标准设计，对应流量27 500 m3，库水位240.25 m，电站运行正常蓄水位241.0 m。设计水位下，左5孔单孔下泄设计流量2 260 m3/s。

图1 左5孔冲砂泄洪闸纵剖面(单位：m)

2 模型设计、试验量测与试验工况

2.1 模型设计与制作

本文采用模型试验的方法进行研究，选择左5孔冲砂泄洪闸的中闸孔进行单体模型试验。试验模型按重力相似准则设计，几何比尺为1∶40。模型过流宽度选择中闸孔与两侧相邻1/4闸孔宽度进行模拟，上游库区与下游河道按等宽模拟。上游库区按定床模拟，模拟长度200 m；下游消力池后进行动床模拟，动床模拟长度160 m，动床后再按定床延长模拟120 m。动床模拟时，基岩抗冲流速4.0 m/s，模型采用0.8～1.6 cm当量直径的砂砾石模拟，铺沙高程211 m。冲砂闸闸室段与消力池模型采用有机玻璃模拟制作，以保证边壁对水流阻力的相似。

2.2 量测内容与方法

试验对水流流态、壁面压强、水面线、流速、脉动压强等水力特性进行了量测。其中，流量采用矩形薄壁堰量测；上下游水位、水面线用精度为0.1mm的水位测针量测；流速用毕托管量测；壁面压强用测压管量测；典型工况下堰面曲线、挑坎及消力池底板等位置，采用脉动压力传感器与DJ800数据采集系统进行了脉动压强量测。

2.3 试验工况

试验工况见表1。

表1 试验工况

3 原设计方案试验成果

3.1 流态

工况6、7下闸门全开，上、下游水位差小，流态稳定。工况5时，下游水位相对较高，消力池内为淹没水跃，跃首位于挑坎前，流态良好。工况4时，上、下游水面落差变大，在挑坎处水面略有挑起，并在消力池前部产生二次水跃，消力池内水面出现较大幅波动。工况3时，闸门局开且开度较大，闸孔底部为有压孔口出流，出流较急，挑坎处水面挑起后在坎后跌落明显，消力池内水面波动大，流态不稳定。正常蓄水位闸门局开5 m和8 m时，由于上下游水位差较大，闸孔出流流速较大，在挑坎前会形成表面小水跃，挑起水流受水跃影响出现小幅摆动且不稳定，当跌落至消力池后使得产生的二次跌落水跃也不稳定，池内水面剧烈波动，流态差。

试验还发现，在正常蓄水位闸门单孔敞泄时，当下游水位降低且池内水面低于挑坎水流顶部高度时，会呈现与闸孔局开5 m和8 m工况相同的不稳定流态。当下游水位继续升高，当水跃发展至挑射水流的整个中上层，挑射水流紊动会更为剧烈，进而引起消力池后水面大幅波动震荡。当下游水位升高至与挑射水流顶部高程相同时，则呈临界淹没状态，此时挑射水流不明显，水跃位于挑坎前，且跃首位置相对靠前，挑坎处与消力池前部为淹没水跃；由于受挑坎的影响，一定程度上破坏了临界淹没水跃整体结构，流动较复杂，紊动也较剧烈。

3.2 壁面压强

闸室堰面、挑坎及消力池压强分布基本合理。弧形闸门局开时，堰面曲线段将出现较小负压，上述试验工况，闸门局开2.78、5.0 m和8.0 m时，最大负压-0.5、-1.8、-1.2 m，由于负压值较小，且堰面流速不超过20 m/s，因此不易发生空化空蚀。

3.3 水面线与流速

3.3.1水面线

当闸门开度较大时，消力池内水面波动较大，闸门开度越大，上游水位越高，水面起伏与波动也将越大。在工况3时，挑坎最高水面与消力池前部水面差约4.6 m，池内最大水面波动约4.4 m。

对于闸门局开5 m和8 m工况，上下游水位落差大，下游水位低，挑坎最高水面与消力池前部水面差分别约4.1、4.3 m，池内最大水面波动约2.3、2.8 m，水面起伏与波动大。

3.3.2流速

闸门局开时，堰面最大流速约20 m/s，工况3时，出消力池后的下游河道表面流速略大，最大流速约6.7 m/s。全开敞泄时，流速明显减小，设计洪水工况时断面最大流速不超过7 m/s。

对于闸门局开5 m和8 m工况，由于上、下游水位落差大，堰闸段和消力池内流速均较敞泄工况大。堰面曲线最大流速分别约21.7、21.5 m/s，消力池前段底部产生漩涡为负流速，最大约-3.7、-3.9 m/s，消力池后段底部最大，流速约4.6、3.2 m/s。其中，闸门局开8 m工况水面线与流速分布见图2。

图2 原方案正常蓄水位闸门局开8 m工况水面线及流速分布(单位：高程，m；流速，m/s)

4 原设计方案中存在的问题与体型优化

原方案试验成果表明，当闸门局开，上、下游水位差较大，下游水较低运行时，消力池内因挑坎挑射水流与池内水流衔接易产生不稳定流态，水面波动大。经计算，各全开工况，最大Fr数为1.26，局开工况下，闸门局开2.78 m入池水流Fr数最大为4.98，可见，该泄洪闸运行时多为低Fr入流泄洪消能。消力池内水位由低于挑射水流顶部高程，逐渐升高至接近，再到超过其顶部高程，挑射水流与池内水流衔接将会产生类似挑流消能、面流消能和底流消能3种形式。挑流消能易造成池内水面波动大，且挑射水流表面若存在水跃，随水跃增强会引起挑射水流形成小幅摆动，并引起池内水面波动加剧；面流消能易导致下游水面波动大，同时消能率也较低；而该底流消能受挑坎影响而水跃结构不完整，是造成水流不稳定的主要原因。

为了避免和解决原方案中的上述问题，根本在于解决入池水流与池内水流的衔接问题，因此取消消力池入池挑坎，改为平角跌坎，并为解决池内消能，在消力池内布置消力坎，其位于距池首35 m位置处。

5 优化方案试验成果

5.1 流态

各全开工况，上下游水位落差小，水流衔接平稳，流态良好。

闸门局开时，由于小挑坎调整为平角跌坎，解决了入池水流与池内水流衔接问题，池内均呈稳定的淹没水跃消能流态。且由于池内增加了消力坎，池内消能可以得到保障，在闸门局开开度较大、下泄流量较大时，消力坎前后的两级消力池内水流稳定。其中，在一级消力池内为稳定的底流式水跃消能，在消力坎及二级消力池内形成消力坎处水流微弱涌动、二级池内形成反向漩滚的类似戽流消能的流态。消能大部分主要集中在消力坎前的前一级消力池内，消力坎处也未见明显的雍水或大幅的水面起伏现象，池内流态良好。

优化方案较好地解决了原方案中闸门局开且上下游水位落差大时，消力池内水流剧烈紊动和水面大幅波动问题；同时也避免了小挑坎挑射水流与池内水流衔接时，因不同下游水位而出现不同流态转换的问题。

5.2 壁面压强

闸室堰面曲线、消力池及池内消力坎等各过流曲面上，压强分布均合理。闸门局开时，堰面曲线的较小负压与原方案基本一致。其中，正常蓄水位闸门局开8 m工况下各位置壁面压强分布见图3。

图3 优化方案局开8 m壁面压强分布(单位:m)

5.3 水面线和流速

5.3.1水面线

闸门全开在各工况下水面衔接均平稳。对于闸门局开工况，出闸孔水流在消力池内形成水跃，水跃局部存在较大水面起伏。池内消力坎位置未见明显的水面起伏，在消力坎后的消力池内，水面沿程变化平稳，波动也较小。出消力池尾坎处水面变化也小，无明显跌落。正常蓄水位闸门局开8 m工况水面线见图4。可见，优化方案有效地改善了原方案中特别是局开工况下的小幅挑射水流与池内水流水面衔接与水面波动等问题。

图4 优化方案正常蓄水位闸门局开8 m工况水面线与流速分布(单位：高程，m；流速，m/s)

5.3.2流速

闸门局开时，一级消力池内临底水流速度均较小，不超过10 m/s，二级消力池内更小，不超过4.6 m/s。消力池前跌坎与消力池内消力坎的存在较大程度地抑制了消力池内临底流速。消力坎顶最大流速不超过14 m/s。出消力池后的下游河道内流速均较小，且沿断面分布较均匀，临底流速最大不超过3 m/s。其中，正常蓄水位闸门局开8 m工况的水面线及流速分布见图4。

5.4 脉动压强

堰面曲线上会出现较小负压，最大瞬时负压仅为-29.2 kPa，负压值在安全范围内，不影响结构安全；均方根在闸门局开下的消力池前部局部位置略大，最大为21.2 kPa，其余位置或其他工况各位置的水流脉动幅度均较小；最大优势频率仅在局开时消力池前部局部位置略大，最大3.787 Hz，其余位置及闸门全开工况各位置基本都小于1 Hz，属低频脉动，远小于泄水建筑物的自振频率，水流紊动不会对结构安全造成影响。

5.5 消能率

试验对各工况下的消能率进行了计算，闸门局开时，消力池消能率在30%～60%；闸门全开时，消能率虽然较低，但此时各闸孔处于敞泄状态，上下游水位落差小，下游水深深，流速小，即使消力池消能率低，但不会造成下游河道产生严重冲刷问题。可见，在闸门局开和闸门全开各工况下，采用两级消力池的消能方式，均可以较好地满足泄水建筑物各泄流条件下的消能要求。

6 结 论

(1)原方案采用小挑角跌坎消力池，在闸门局开、上下游水位差较大时，消力池内因挑坎挑射水流与池内水流衔接会产生类似挑流消能、面流消能和底流消能三种形式过渡的不稳定流态，水流紊动剧烈，水面波动大。

(2)取消原方案消力池入池挑坎，并在消力池内布置消力坎后，闸门局开不利工况下均为稳定淹没水跃，水面沿程变化平稳。消力池前跌坎与池内消力坎较大程度地抑制了消力池内临底流速，消力池内临底水流速度均较小，不超过10 m/s。水流脉动为低频脉动，不影响结构安全。

(3)采用平角跌坎消力池+池内消力坎方案，有效避免了小挑坎挑射水流与池内水流衔接时因不同下游水位而出现不同流态转换的问题，从根本上解决了水流衔接引起的池内水流剧烈紊动和水面大幅波动问题。该消力池体型适应水流条件强、流态稳定、消能充分、简单经济，可为低Fr水流消能相关工程提供借鉴。