阶梯布置对溢洪道尾水二次消能及流态影响研究

杨锐国,邱 勇,陈玉斌,岳翠云,尹兴汤

(云南农业大学水利学院,云南 昆明 650201)

底流消能可以在较大范围内适应下游尾水变化，同时对出口工程地质条件要求不高，在水利工程建设中广泛应用。对于开挖深度受限的抬坎式底流消能，通常需要对出池水流进行二次消能，并且保证其尾水和下游河道平顺衔接。

对于消力池正对下游河道情况，张建生等[1]通过布设池尾的栅式尾坎和池后的二级消力墩进行二次消能；而增设阶梯，能够有效降低泄槽末端的水体动能[2]。对于消力池和下游河道斜交或正交情况，胡欣等[3]将直线型消力池优化为曲线布置，在避开高边坡开挖带来的工程量增加的同时，较好地解决了下泄水体的消能及平顺归河问题；王震等[4]通过试验研究，采用侧泄式底流消能，将出池水流转向90°，避免了对河岸的冲刷。

云南省凤庆县大摆田水库溢洪道下游河道左岸发育大型古滑坡，现状滑体中、上段已大部分下滑到中、下部堆积，河床两岸滩地冲洪积层厚度达20～30 m；右岸物理地质现象不发育，靠近河床位置有完整基岩出露。左岸山体岩层为顺向坡，地形坡度30～35°，岩层倾角48°；右岸山体岩层为逆向坡，稳定性好。考虑到溢洪道消力池出口轴线与下游河道近呈40°斜交，其布置设计(图1)要求水流在平顺归河时尽量避免对河道左岸及岸坡的局部冲刷。

a)平面布置

消力池出口紧接弯道—阶梯组合段，对尾水渠水流流态不利，可能威胁到左岸顺向岸坡及古滑坡体的安全，诱发次生灾害。

1 底流消能水力特性研究

1.1 模型设计

为满足工程设计要求，采用水工模型试验，通过弯道布置及阶梯体型变化，对不同特征流量工况下的消力池二次消能及下游尾水渠水流流态进行研究。

模型按重力相似准则设计，采用正态模型[5]。几何比尺λL=35，相应流量比尺λQ= 7 247.20、时间比尺λT=5.92、流速比尺λv=5.92、糙率比尺λn=1.81。

1.2 原设计方案水力特性

1.2.1消能率

设计洪水情况下(P=2%，Q=45.49 m3/s)，跃后断面位于桩号0+209.250附近，消能率η=81.1%；校核洪水情况下(P=0.1%，Q=81.78 m3/s)，跃后断面位于桩号0+212.500附近，消能率η=79.2%。原设计方案消力池布置能够满足消能要求。

1.2.2消力池下游水流流态

消能防冲流量下(Q=14.74 m3/s)，消力池出口断面处水流平稳，但由于二次消能所采用的阶梯布设于弯道内，出池水流出现分股(表1)：近左侧水流在台阶顶托作用下，沿边墙偏转壅高明显(最大水深3.19 m)，并形成斜向右前方的股状水流；轴线附近水流沿阶梯跌落，从左侧水股下方直冲弯道末端左侧边墙(呈立面交叉)后偏折，加剧水流折冲；近右侧水流，由于阶梯长度不足，水流跌落明显，并在底板位置形成弹射后汇入折冲水流(最大水翅高度达1.58 m)[6]。

折冲水流从弯道末端(桩号0+231.140处左侧边墙水深达2.14 m，右侧边墙水深仅为0.18 m)向右偏折，左侧水股流速(9.97 m/s)明显大于右侧水流流速(3.17 m/s)；至桩号0+248.640处，尽管冲击波波峰和波谷的流速较为接近[7]，但水面高差依然较大(0.63 m)；桩号0+269.940位置，折冲现象仍然未见改善(横断面水深差几近2倍)，见表1。

表1 原设计方案尾水渠水力特性(P=3.33%)

由于阶梯跌落水流的加速作用[8]，弯道下游水流平面上呈“Z”形大幅摆动折冲(图2)，最大流速接近10 m/s，对左岸岸坡的安全构成威胁。

图2 原设计方案尾水渠折冲水流示意(m)

常遇洪水流量下，尾水渠流态有所改善，但折冲现象依然存在，水流横断面水深分布仍不均匀。

5年一遇洪水情况下(Q=17.46 m3/s)，阶梯处水流呈跌落状，弯道水流在边墙作用下发生偏折，致使尾水渠主流基本位于轴线左侧：桩号0+231.140处Hl=1.40 m(vl=6.81 m/s)，Hr=0.18 m(vr= 2.43 m/s)；桩号0+243.740处vl=6.77 m/s(Hl= 0.65 m)，vr=1.56 m/s(Hr=0.86 m)；桩号0+262.290处vl=5.39 m/s(Hl= 0.93 m)，vr= 3.39 m/s(Hr= 0.74 m)。

10年一遇洪水情况下(Q=24.73 m3/s)，尾水渠内的折冲现象加剧(桩号0+231.140附近)，左侧近边水深1.51 m(流速9.16m/s)，右侧近边水深0.35 m(流速4.15 m/s)，高差达1.18 m；桩号0+245.140附近，尽管横断面水深差值减小(左侧近边水深0.70 m，右侧近边水深0.86 m)，但流速差值加大(左侧近边流速7.74 m/s，右侧近边流速2.75 m/s)。下泄流量增大到20年一遇洪水时(Q=33.33 m3/s)，尾水渠内水流流态进一步变差，折冲水流摆动幅度也更大。

1.3 修改方案阶梯及尾水流态变化

针对原设计方案存在的问题，考虑对弯道内的阶梯布置进行调整：阶梯前置至弯道上游，尽管底流消能仍然能够满足要求，但由于弯道紧邻阶梯，其对阶梯加速后的水流扰动依然存在，尾水渠水流流态未见明显改观。

为了避免消力池下游开挖深度的增加导致松散堆积体边坡稳定性下降，在阶梯位置后置至弯道下游(修改方案)的同时，桩号0+217.500到桩号0+240.140段设置为斜坡，以满足上下游的高程衔接(尾水渠底坡维持不变)，阶梯数量不变，末级阶梯高度由1.50 m调整为0.90 m(图3)。

a)平面布置

消能防冲流量下，阶梯水流呈现滑行状态[9-11]，桩号0+266.340 处横断面水深Hl=0.81 m、Ha=0.91 m、Hr=0.88 m；桩号0+283.840处横断面水深Hl=0.77 m、Ha=0.74 m、Hr=0.84 m。尾水渠水流流态总体较为均匀。

5年一遇洪水时，可观察到出池水流在弯道内的折冲现象，但由于调整段的作用，临近首级阶梯附近主流偏左(左侧水舌下缘有气囊状空腔，靠近右侧边墙可见跌落状水流)，但横断面水深较为均匀(桩号0+240.740位置Hl=0.67 m、vl=5.95 m/s；Hr=0.74 m、vr= 4.47 m/s)。一级阶梯位置右侧的弹射水流(最大水翅高度达0.60 m)几乎呈抛射状越过二级阶梯位置[12]，致使末级阶梯水流紊乱加剧(阶梯角隅处有明显的横轴旋涡[13]，旋涡上方有空腔存在)，水流互相掺混以后呈跌落状进入尾水渠(水股落点距离阶梯1.58 m左右)，见图4a。跌落水流和空气的混掺使得尾水渠水深加大[14]，水面菱形状冲击波互相叠加，阶梯下游近25 m范围内的尾水渠水流流态恶化，紊动加剧(桩号0+259.140断面平均水深0.49 m，临边流速最大达6.48 m/s；波峰处水深超过0.70 m)[15-16]。

a)修改方案

随流量增大，阶梯水流流态均有所改善，P=5%时，仍可观察到靠近右侧边墙阶梯上的水流跌落和弹射现象。而尾水渠水流流态则随流量增大趋于紊乱，P=10 %的下游尾水渠内折冲水流现象依然存在(桩号0+259.140位置，Hl=0.63 m、vl=7.88 m/s；Hr=0.84 m、vr= 6.77 m/s)。

1.4 改进方案阶梯及尾水流态变化

1.4.1阶梯体型尺寸

过渡水流变为滑行水流的界限水深(滑行水流的下限)he2由下式得到[17]：

(1)

式中he2——为界限水深；a——阶梯高度；θ——阶梯坡角。

由此得到不同特性流量所对应的阶梯体型尺寸见表2。

表2 特征流量下阶梯体型尺寸计算成果 单位：m

考虑到消力池下游尾水渠及河道防洪标准不高，为了保证小流量常遇洪水时的尾水渠水流流态及岸坡稳定性[18]，阶梯高度不宜大于0.76 m。结合工程实际，将阶梯体型尺寸由2.50 m×1.50 m调整为1.00 m×0.60 m(改进方案)，阶梯数量相应增加为九级[19](末级阶梯高度0.40 m)。

1.4.2阶梯及尾水渠水流流态

阶梯体型尺寸调整后，对弯道水流流态变化影响不大，对于常遇洪水流量，阶梯水流及下游尾水水流的流态均明显好转：5年一遇洪水情况下，阶梯呈滑行状，仅在首级阶梯下游近左侧边墙附近可观察到水流平挑现象(首级阶梯附近Hl=0.84 m、vl=5.18 m/s；Hr=0.89 m、vr=3.63 m/s)，其后的阶梯水深沿程下降(图4b)，下游尾水渠沿程水深逐渐增大，横断面水深分布相对均匀，掺气现象基本消失：桩号0+259.140附近流速5.31 m/s，较之阶梯体型调整之前，流态改善明显[20]。

2 结语

云南省凤庆县大摆田水库溢洪道出口坎式底流消力池和下游尾水渠之间在进行二次消能的同时需要通过弯道予以衔接：将二次消能所采用的阶梯布设于弯道内，凹岸一侧水流爬升、凸岸一侧阶梯水流跌落明显，并在底板位置交汇加剧下游折冲。鉴于消力池长度相对富余，考虑将阶梯前移至弯道(里程不变)上游布置：客观上，阶梯对水流存在加速作用，弯道对加速后的阶梯水流扰动明显，尾水渠水流折冲依旧。

在此基础上，将阶梯后移至弯道下游，消能防冲流量下的尾水渠流态较为平顺，但小流量常遇洪水情况下，阶梯跌落水流加剧了下游尾水渠的水流紊乱；故在阶梯后移至弯道下游的组合布置方案中，将阶梯体型尺寸由2.50 m×1.50 m调整为1.00 m×0.60 m，使之能够在满足二次消能同时，很好地平顺阶梯水流流态，保证小流量洪水平顺归河，满足工程设计要求。