高水头尾矿库场外排洪系统消力池体型研究

贾旺，黄桂兵，刁明军

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都，610065)

1 前言

尾矿坝排水系统在排洪时流速高、水头高，巨大能量冲击消力池，容易造成消力池底板冲刷失稳破坏，因此有必要对尾矿坝排水系统的水力特性进行研究。底流消能是泄洪建筑物常用的消能方式之一[1]。底流消能型式通过水跃来消能[2]，水跃引起的水面滚动和强烈湍流导致消力池内能量损失，达到消能的目的[3]。底流消能具有消能后水流流态稳定、对尾坎和侧墙冲刷小、泄洪雾化小、消能效果显著等优点[4]。跌坎型底流消力池在传统消力池首部设置一定高度的跌坎，其消能原理是利用跌坎后形成的水垫将水流与消力池底板隔离[5]，可有效降低消力池临底流速，有利于消力池底板的安全稳定。本文以某尾矿库排洪系统工程为例，针对卧管下泄能量过大，消力池内流态差和消能率低等问题，重点研究底流消力池的流态、临底流速、时均压强等水力特性，通过多方案比选，给出适应性强、流态稳定、消能充分的消力池体型。

2 工程概况

排洪系统由排洪卧管、排水斜管、消力池组成，卧管直径3.6m，总长度1.8km。灰场处于山区河流沟段，洪峰流量和洪水总量都巨大，排洪卧管管线长，最大水头达到130.7m。排洪卧管轴线在平面上有10处转弯段，转弯段半径为60m，在立面上存在4处边坡点，最大坡度达到30%。本灰场设计级别为一级，灰场设计洪水标准为100年一遇，相应洪水流量为165m3/s，校核洪水标准取500年一遇，相应洪水流量为225m3/s。本试验采用整体正态水力模型，水力模型水平比尺、垂直比尺为1∶30，本模型按重力相似准则设计。消能防冲设施采用底流消能型式，本试验消能工采用跌坎消力池的形式消能。

底流消能因其流态稳定、消能效率高、尾水波动小、泄洪雾化影响小等优点，在工程中得到了广泛的应用[6]。高水头大流量泄洪工程采用底流消能时，消力池底流速较大，容易造成消力池底板失稳破坏[7]。因此，在消力池进口处设置跌坎，形成跌坎型消力池。这种新型底流消能工不仅能降低底部水力指标，而且能达到泄洪消能的目的，尽可能降低工程造价。

图1 尾矿库场外排洪系统三维模型

3 消力池体型优化研究

本工程上下游水头高，水流流速大，泄洪边界复杂，场外排洪系统的泄流量较大，卧管出口消力池的泄洪消能水力特性对系统的安全运行至关重要。模型试验在保持消力池底板高程不变的情况下对两种消力池体型进行了试验研究。方案一：消力池体型长度为50m，宽为10m，尾坎高度2m；方案二：消力池体型长度为50m，宽为10m，尾坎高度3.5m。

3.1 方案一消力池水流流态

图2和图3为方案一消力池的流态图。从图中可见，消力池进口存在跌坎，消力池的流态为自由出流，由于入池流速大，尾坎较低，雍高水位有限，消力池内无法形成完整水跃，水流入池后直接冲出消力池，尾坎无法达到壅水以消能的目的。该方案由于尾坎低，无法达到消能的效果，该方案不可取。

图2 消力池水流流态

图3 消力池池身流态

3.2 方案二消力池水力学特性

3.2.1 消力池内水流流态

图4和图5为方案二消力池的流态图。从图中可见，消力池进口存在跌坎，消力池的流态为自由出流，自由出流时卧管的泄流能力较大，由于尾坎壅高水位，使得消力池内发生水跃，且水跃过程比较完整，消力池内尾坎附近水面波动不大，表明消力池消能效果良好。

图4 消力池水流流态

图5 消力池池身流态

3.2.2 消力池临底流速

图6为方案二消力池临底流速。在校核工况下，消力池底板1/2位置临底流速最大13.07m/s，消力池底板1/4位置临底流速最大10.46m/s。

图6 500年一遇工况消力池底板临底流速

3.2.3 消力池底板时均压强

图7为方案二消力池底板时均压强。在校核工况下，消力池底板1/2位置时均压强最大7.29m；消力池底板1/4位置时均压强最大6.67m。从表中可以看出，消力池底板中部以后压强明显较大，这是由于从卧管进入消力池的水流落点位于底板中部以后所致。尽管底板中部压力相对较大，但该压力对消力池底板安全不会造成明显影响。

图7 500年一遇工况消力池底板时均压强

3.3 消力池方案比选

通过对两种消力池方案的试验，成果显示：

方案一中消力池体型。消力池进口存在跌坎，消力池的流态为自由出流，由于入池流速大，尾坎较低，雍高水位有限，水深较浅，消力池内无法形成完整水跃，水流入池后直接冲出消力池，尾坎无法达到壅水以消能的目的。该方案由于尾坎低，无法达到消能的效果，该方案不宜采用。

方案二中消力池体型。消力池进口存在跌坎，消力池的流态为自由出流，自由出流时卧管的泄流能力较大，由于尾坎壅高水位，使得消力池内发生水跃，且水跃过程比较完整，消力池内尾坎附近水面波动不大，表明消力池消能效果良好。方案二消力池临底流速，在校核工况下，消力池底板1/2(中线)位置临底流速最大13.07m/s，消力池底板1/4(横向)位置临底流速最大10.46m/s；方案二消力池底板时均压强，在校核工况下，消力池底板1/2(中线)位置时均压强最大7.29m，消力池底板1/4(横向)位置时均压强最大6.67m。总体而言，消力池底板上的临底流速都较低，底板发生冲刷破坏的可能性较小，安全是有保障的。

经过模型试验流态观察以及数据测量，综合比较消力池的两个方案，方案二的消能效果最佳，且投资较小。因此，本次模型试验将方案二消力池体型，即池体型长度为50m，宽为10m，尾坎高度3.5m方案作为场外排洪系统消力池推荐方案。

4 结语

通过水工模型试验，研究不同尾坎高度对跌坎型消力池水力特性的影响，试验成果表明：在校核工况下，方案二消力池内水跃过程比较完整，尾坎附近水流流态稳定，消力池底板中线位置临底流速最大13.07m/s，时均压强最大7.29m，消力池体型长度为50m，宽为10m，尾坎高度3.5m方案作为场外排洪系统消力池推荐方案。本研究成果可供其它类似工程参考。