带尾墩的新型综合消力池试验研究

杨 姣，刘亚坤，张 帝，段双帅，岑嘉豪，刘春明

(大连理工大学建设工程学部水利工程学院，辽宁 大连 116024)

0 引 言

流态稳定、消能效果显著，适用于各种地质较差情况、泄洪雾化影响小等优点使得底流消能广泛使用[1-2]。尽管底流消能存在诸多优势，但底流消能[3]需修建大型消力池，增加工程投资；随着工作水头的增加，消力池临底流速[4]增大，很难保证消力池自身的泄洪安全[5]。消力池内受高速水流冲击，紊动剧烈，底板上紊流脉动压力[6]加剧，消力池的临底流速和脉动压强[7]一般较大，消力池自身泄洪安全[8-9]需更加注意。消力池发生破坏[10-11]最为严重的是底板结构毁坏[12]，对工程安全所构成的威胁最大[13-15]。五强溪水电站右岸溢洪道由于长时间运行在恶劣的水流流态下，水流掀起并冲走了部分底板块，并在基岩处形成超过30 m的冲坑[16-17]；新疆蘑菇湖[18]因消力池内水流流态不佳造成消力墩被冲走，致使下游河道冲刷严重，严重威胁工程安全；安康大坝表孔消力池底板也曾在运行时遭受到破坏[19]。

国内外许多学者在消力池的水流流态、临底流速、脉动压强分布等方面做了大量的研究。张强等[20]通过对底流消力池内水流流态分析得出随入池能量的变化，消力池内会产生多种形式的水流流态。秦翠翠[21]、孙双科等[22]通过对比分析跌坎型消力池与非跌坎型消力池发现，跌坎型消力池临底水流参数大大降低。刘达等[23]研究了不同入流角度对消力池相关水力特性的影响。本文以待建的新疆某水利枢纽为例，通过在常规消力池中设置不同的辅助消能工以及改变常规消力池池深与宽度等方式增加消能率，改善下游水流形态。通过试验观测不同方案下水流形态、流速、时均压强、水深等水力学参数，并比较各方案消能率，确定最终方案。

1 模型设计与试验结果

1.1 模型试验概况

本试验依托国内待建的新疆某水利工程的水工模型进行研究，泄洪建筑物由开敞式溢洪道与泄洪冲砂兼导流洞组成。开敞式溢洪道位于右岸，由引渠段、控制段、陡槽及扩散段、消力池段及护坦段5部分组成，模型示意如图1所示。

图1 模型示意

溢洪道总长804.79 m，进口引渠段长62.16 m，底板高程2 095.90 m。控制段堰型采用驼峰堰，进口控制段位于大坝右坎肩，轴线与坝轴线正交。堰顶高程2 098.00 m，堰高2.10 m，净宽10.00 m，1孔，在弧形工作闸门前设置检修闸门，堰后接i=1/200泄槽陡坡段。陡坡段后接85级台阶，台阶高1.0 m、长2.0 m。台阶段后接消力池，消力池长46.0 m、宽17.0 m、深6.3 m。

1.2 试验装置及测试手段

试验按照重力相似准则设计，采用1∶50正态模型，模型材料为有机玻璃。采用水位测针及水位跟踪仪测定恒定流水位；DJ800多功能监测系统及压力传感器测定时均压强，LGY-Ⅱ流速仪测量流速。流速及水深共设置6个测量断面，测量每个断面的底部、中部及表面流速；顺水流沿轴线布置8个压力测点，流速、水深及测压点布置方式及位置如图2所示。

图2 测点布置

设置10组试验。①原方案，消力池长46.0 m、宽17.0 m、高6.3 m，无辅助消能工；②方案1，消力池距尾部0+222.903处设置1道截面为直角梯形(高1.0 m、上底0.2 m、下底1.2 m)且与消力池等宽的通坎；③方案2，在消力池尾坎迎水面等距设置4个相同的消能墩(高3.15 m、宽2.35 m，顶部顺水流长1.275 m)，消能墩斜面与尾坎面贴合，间隔放置，间距为2.53 m；④方案3，结合方案1与方案2中的辅助消能工；⑤方案4，在方案2的基础上将消力池尾坎上的4个尾墩加厚(顶部顺水流长2.275 m)，布置方式同方案2；⑥方案5，将方案2中的4个尾墩加高至与消力池尾坎齐平(高6.3 m、宽2.35 m，顶部顺水流长2.55 m)，且结合方案1中消力坎；⑦方案6，在尾坎处布置尾墩，尾墩布置方式同方案5；⑧方案7，在原方案基础上将消力池加深1 m、加宽4 m；⑨方案8，消力池加深1 m、加宽4 m，在消力池尾坎迎水面布置等高的4个尾墩(高7.3 m、宽3.867 m，顶部顺水流长3.55 m，间距2.18 m)；⑩方案9，在方案8基础上将4个尾墩加高1 m。各方案示意如图3所示。选取消能水位2 105.19 m进行泄洪消能试验。

图3 各方案示意

2 试验结果及分析

2.1 水流形态

原方案中水流进入消力池后，沿底板急速前进，向上翻滚，未形成充分水跃，水舌[24]向下游扩展不

开，水流溅出消力池，出池后水流形成二次水跃的恶劣流态(如图4a所示)，冲刷下游河床[25]。在消力池中后部水位壅高，水体在池内波动剧烈，出池水流形成一定的跌落差，消能效果明显不足。方案1～方案6与原方案相比，消力池内水流流态有所改善，水流分散入池，下泄水体混掺[26]充分。下泄水流在消力池前端剧烈旋滚，二次水跃现象改善不明显，仍在水流出池30 m位置处形成二次水跃。

图4 原方案与方案8出池流态

方案7～方案9水流流态比较平稳。相较于方案7泄流，方案8与方案9水流在消力池内充分掺气旋滚，在出池处波动较小，出池后二次水跃现象消除明显(如图4b所示)，水流与下游河道衔接平顺；消力池前部水流紊动剧烈，中后部水面有较小波动。

2.2 消力池内流速

各方案下消力池内沿程断面流速分布如图5所示。各方案下沿程底部流速最大不超过11 m/s，当

图5 消能水位2 105.19 m时各方案沿程流速

水流流经最后一级台阶后，水股入射冲击点距消力池进口11.5 m左右，在冲击区域水流湍急，在桩号0+200.453处流速增大。水流在消力池内流速最小点在尾坎处，因此整体近似呈“驼峰”状。方案8底部流速明显小于其他方案，其原因在于消力池加宽加深后，水股入射最后一级台阶至消力池底板处深度加深，消力池水体之间相互碰撞、摩擦、剪切作用加大，表面旋滚剧烈，底板沿程临底流速下降明显。方案8在桩号0+200.453 8处底部流速下降至6.38 m/s，相较于原方案降幅为37.32%，出池水流流速也相较于原方案下降32.91%。

水流在消力池内不断向上翻涌，混掺，因此各方案下沿程中间流速相比于底部以及表面流速相对紊乱。当尾部设置4个等距且与尾坎齐平的尾墩(方案5、方案6、方案8)泄洪时，水流沿溢洪道倾泻而下，在抵达消力池尾坎前，下泄水流被差动式尾墩分为3个部分。其中，竖直面减小来流冲击力，并消除余能；差动式尾墩将下泄水流分为7股支流，其中3股支流被尾坎挑起到下游海漫，有效利用尾坎出口纵向空间，使得水流空中消能效果增强，期间部分能量被消耗；剩余4股支流能量经过差动式尾墩的直接消耗后，在尾坎上方横向扩散消除，因此出池水流流速沿水深方向分布相对更为均匀。

2.3 消力池水深

在消能水位2 105.19 m时，对比分析各方案下消力池水深，测量结果见图6。方案1、方案3、方案5中水流在消力池内起伏明显。在布置通坎前，消力池底部水流剧烈旋滚，形成大小不一的气泡向上翻滚，在消力池尾部形成一定的跌落差。布置通坎后消力池内，波动较平稳。

图6 消能水位2 105.19 m下各方案消力池水深

当消力池尾部设置楔形尾墩时(方案6)，消力池尾坎上水头增加，水面线变化平稳，水面波动幅度较小。将消力池加宽4 m、加深1 m(方案7、方案8、方案9)后，水面波动也较小。出池后二次水跃现象消除明显，因此在方案7～方案9时进行了设计洪水位2 105.24 m，校核洪水位2 105.74 m的消能试验，试验结果如图7所示。由图7可知，方案7～方案9中消力池水深略高于其他方案。整体而言，方案8在特征水位下水深变化最为平缓。

图7 方案7～方案9消力池水深

2.4 时均压强

在消能水位2 105.19 m时，不同方案时均压强分布如图8所示。显然，针对各方案，水流均直接射击在桩号0+200.453近，部分水股向后回旋，在桩号0+188.953～ 0+200.453范围内出现压强极值，消力池内水深呈现沿程增加的趋势，临底流速逐渐降低。

图8 消能水位2 105.19 m时各方案时均压强分布

由图8可知，时均压强在消力池尾坎处达到最小，且方案7～方案9的时均压强相对低于原方案和方案1～方案6。这一方面是由于方案7～方案9中的消力池进行了加宽和加深，另一方面是由于方案8和方案9中布置的尾墩使得尾坎处形成7股水流、相互掺混碰撞，消耗大量的能量，时均压强减小。

设计洪水位与校核洪水位下方案7～方案9沿程时均压强分布如图9所示。结果表明，各方案下时均压强分布规律基本一致。增大消力池宽度与池深(方案7～方案9)，消力池内能够形成有效的淹没，水流射击消力池底板后，底部漩涡反向从消力池两侧角隅处涌出，与边墙处附壁射流和淹没回流[27]之间相互混掺、摩擦、剪切。在消力池出口隅角处，水流上涌且突扩，导致消力池内中尾部临底流速逐渐降低，底板的时均压强呈上升趋势(桩号0+206.953～0+233.085)。针对消能洪水位2 105.19 m、设计洪水位2 105.24 m、校核洪水位2 105.74 m，时均压强分布规律一致。

图9 方案7～方案9时均压强沿程分布

2.5 消能率

通过消力池进出口所减少的能量占总能量之比来计算消力池的消能率[28]。计算公式为

(1)

(2)

(3)

式中，E1、E2分别为由压能、势能、动能组成的消能前、后断面总水头；ν1、ν2分别为消能前、后断面平均流速；h01、h02分别为水深在消能前、后断面处的平均水深。

计算参考断面选取消力池进口及消力池出口，势能参考面选取消力池底板Z=2 009.5 m。各方案消能率计算结果见表1。受消力池内深尾水束缚，尾坎处消能墩高度小于尾坎时，水流在出池时出现部分壅高现象，使得方案3计算消能率低于原方案，其余方案消能率均高于原方案。特别地，针对方案8，消力池加宽4 m、加深1 m，并在尾坎上布置与尾坎齐高的差动式消能墩，消能率可达到24.94%，消能效果最佳。

表1 各方案消力池消能率

3 结 论

通过10个不同方案下的模型试验，测量并分析各方案下的水流流态、流速分布、沿程水深及时均压强的分布规律，研究发现原方案中消力池内水流出现不稳定振荡水跃现象，主流翻溅并溢出消力池；消力池临底流速较大，时均压强有明显突变点，出口水流流态不佳，有较大的跌落差；方案1～方案6中设置辅助消能工后，水流流态明显改善，但出池后仍出现二次水跃现象。

经过优化后，推荐方案的消能率从原方案的15.79%提高到24.94%，水流波动幅度较小，时均压强无明显突变点；消力池内水流形成淹没水跃，出池流态较好，出池后二次水跃现象明显消除；尾坎上形成7股支流分别从纵向和横向扩散，消能效果显著，极大削弱了出池水流能量，确保下游河床、岸坡及建筑物等免遭冲刷毁坏，有效解决泄水建筑物下游因消能不足引起的冲刷问题。鉴于对消力池内的水力参数分布规律的研究，结果表明设置差动式尾墩的消力池优化设计对工程实际的指导具有重要意义。