泄洪洞消力池体型优化及优化体型的水力特性

刘长勇

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

底流消能是消能方式的其中一种，古老而成熟，国内外学者对其进行了许多试验研究，它适用不同水头、不同的地形地质条件，流态稳定。尤其是雾化影响小是其比较突出的优点[1]。但在当今高坝建设潮流中，这种消能方式在国内外却应用很少，据统计国外大于100 m的403座高坝工程中，只有25座采取底流消能，其中坝高在200 m以上的只有3座[2]。随着高水头大坝的陆续增加，用于高水头消能的底流消能工相应亦有所增加。向家坝水电站因受环境限制，放弃挑流消能，转而采用底流消能，就是一个非常典型的工程实例[3]。为了建设环境水利、生态水利，底流消能在高坝工程中的应用的课题亟待进一步研究解决。随着水电开发难度越来越大，坝体升高，出现了一批以“大流量，高水头，窄河谷”为特征的水利工程，消能难度加大，再加上严格的成本控制，也使得传统的消能形式的改善以及新型消能工的提出刻不容缓[4]。近年来，我国在改善传统消能工型式和研究新型消能工上硕果累累，如在二滩水电站、白山水电站等工程中应用的高低坎大差动消能工[5]，在龙羊峡水电站中应用的窄缝式消能工[6-7]，在安康、隔河岩、潘家口、五强溪、岩滩等水利工程中应用的宽尾墩，在拓林水电站采用的掺气分流墩以及在小浪底工程泄洪洞中采用的多级孔板消能工等。

1 泄洪洞消力池体型优化及优化体型的水力特性

1.1 Y型收缩墩体型参数及尾坎高度对消力池水流流态的影响

相对于矩形收缩墩，Y型收缩墩对改善跃首间歇性振荡有一定的优越性，而上述Y型收缩墩体型所出现的问题可通过改变体型参数来改善，因此本文将对Y型收缩墩体型参数对水流流态的影响做进一步的研究。此外，不同侧堰及尾坎高度对矩形收缩墩体型下消力池水流流态有一定的影响，同样，对Y型收缩墩体型下消力池水流流态也有影响。

1.2 Y型收缩墩体型参数对消力池水流流态的影响

在总结上述Y型收缩墩体型试验成果后，对收缩墩前部高度进行降低，并适当提高收缩墩尾部上顶点高度。考虑到收缩射流交汇点较靠后，消力池内消能效果欠佳，因此对Y型收缩墩的收缩比进行了调整。后经多次体型修改和试验，最终确定出了较优的Y型收缩墩体型。该Y型收缩墩体型为：收缩比ε=0.45，纵向长度L=12.0 m，前部高度5.5 m(距该断面底部)，尾部上顶点距底部高度17.0 m。该Y型收缩墩体型如图1所示。对该收缩墩体型进行了试验观测，在收缩墩收缩面产生了较薄的水舌，自由射流状态下交汇水流产生的水翅消失，淹没状态下很少有水流进入收缩墩前部而与来流相互剪切引起水面大幅波动，池内波动较小，收缩墩处流态较好。收缩墩前部断面处水面略高于收缩墩，顶部水流沿收缩墩顶部斜收缩面挑射形成较薄水舌，收缩墩交汇水流形成的水翅在较薄水舌的抑制作用下消失；收缩墩处形成的收缩射流和较薄的扩散射流，增加了消力池池首位置处水流的掺气，消力池内水流掺气率较高，消能率较大。消力池内水面较为平缓，波动较小。消力池尾坎及侧堰出流均匀，无明显水流涌高和摆动。可见，在合适的消力池尾坎和侧堰高程下，采用该Y型收缩墩体型时收缩墩与消力池内的流态较好。

图1 Y型收缩墩体型图(单位:m)

2 不同侧堰体型及尾坎高度对消力池水流流态的影响

2.1 侧堰前低后高体型

借鉴体型优化阶段一中优化试验成果，采用前低后高侧堰，上游侧高度取20 m，下游侧高度取28 m。该体型下，尾坎处出流较少，水流顺畅，下游冲刷较轻；而侧堰上游侧出流较多，水层较厚，侧堰处出流扩散不均匀。

为了使侧堰出流均匀，同时加大消力池内水深，增加收缩墩后收缩射流淹没度，将侧堰上游侧高度提高至24 m，下游侧高度不变，仍为28 m。从流态可以看出，侧堰出流流态有所改善，但由于消力池内流速较小，上游侧出流仍较多，出流扩散不均匀。

2.2 侧堰两端齐平体型

鉴于侧堰上游侧高度为24 m，下游侧高度为28 m高程时，消力池出流仍不均匀，因此采用两端齐平侧堰体型。同时，原侧堰体型下，消力池内为自由射流流态，因此，将侧堰上游侧加高至28 m高度。

对该侧堰体型下进行了试验观测，收缩墩后收缩射流淹没较大，收缩墩顶部为不完全水跃的回流，与泄洪洞出流产生的强烈剪切引发池内大幅波动和振荡，消力池内水面较高，时有水流溢出两侧边墙，尾坎及侧堰出流不稳定，流态较差。因此，对消力池尾坎及侧堰高度进行了多次优化和试验，试验发现，当侧堰高度为25.5 m，尾坎高度为22.5 m时，消力池内流态为底部为淹没射流流态、上部为略淹没底流流态的混合流态。该体型下，收缩射流在池内交汇后扩散，收缩墩上收缩面产生了较薄的扩散射流，并与池内交汇。收缩墩交汇水流在扩散射流的作用下未产生水翅，同时也很少有水流进入收缩墩前部，而与无压洞出流发生强烈剪切引发水面大幅波动和振荡。池内水流掺气较大，水面波动较小，尾坎及侧堰出流均匀稳定，大部分水流从侧堰进入二次消力池，尾坎出流较少，对下游冲刷较有利，流态较好。

2.3 不同侧堰及尾坎高程

通过对上述Y型收缩墩体型对消力池水流流态影响的试验研究，确定了上述较优的Y型收缩墩体型，该收缩墩体型下，收缩墩上收缩面形成了较薄扩散射流，对交汇水流水翅起到了较好的抑制作用，也减缓了在略淹没时消力池内部分水流进入收缩墩前部，与来流产生强烈剪切而引起水面大幅波动和振荡。在Y型收缩墩体型下，消力池内流态会因尾坎及侧堰的高度不同而出现三种基本流态：

(1)尾坎及侧堰高度较低时的自由射流流态。此时消力池内水面较低，收缩墩后的收缩射流与收缩墩顶部斜面的扩散射流处于自由射流状态，下部收缩水流在墩后池内交汇并扩散，顶部形成扩散射流后与池内交汇，原来在下部收缩交汇后形成的水翅因扩散射流的抑制作用而消失。但交汇水流与池内水流碰撞，部分飞溅出消力池；消力池内水面较低，波动较大；池内水流在尾坎及侧堰处出现涌动。流态不理想。

(2)淹没射流与略淹没底流复合流态。当抬高消力池尾坎及侧堰至适当高度时(侧堰高度：25.5 m；尾坎高度：22.5 m)，收缩墩收缩射流与扩散射流处于略淹没状态，交汇水流形成的水翅消失，池内水流掺气率较高，消能率较大；池内水面波动较小，尾坎及侧堰出流稳定，消力池内流态较好。

(3)尾坎及侧堰高度较高时的淹没射流与过淹没底流复合流态。消力池内水深较深，收缩墩处的收缩射流与扩散射流被完全淹没，而收缩墩顶部为淹没漩滚水跃，水跃跃首位置靠前，位于收缩墩前部，漩滚水跃与无压洞来流发生强烈剪切，从而引发消力池内水面的大幅波动和振荡；池内水面较高，在大幅波动和振荡的作用下，消力池两侧边墙时而有水流涌出；消力池尾坎及侧堰出流也因池内水面振荡而不稳定。消力池及出流流态较差。对不同侧堰及尾坎高度下消力池水流流态的试验对比分析表明，消力池内较理想流态为淹没射流与略淹没底流的复合流态，只要Y型收缩墩体型参数以及侧堰与尾坎高度适宜，即可保证该流态的实现。

3 结 论

(1)本文通过对消力池体型进行优化试验研究，表明仅通过优化泄洪洞出口连接段的曲线体型、消力池侧堰与尾坎体型等局部优化措施，难以彻底改善消力池内不稳定振荡流态。

(2)Y型收缩墩加侧堰体型消力池整体流态较理想，水面线较常规消力池体型有明显降低，池内水面波动幅度约在3～5m，波动相对较小，消力池整体波动较均匀稳定，常规消力池跃首处出现的间歇性振荡流态基本消除，出池水流的大部分流量被侧堰所分担，单宽流量大大减小，下游冲刷明显减轻。

(3)与常规消力池压强对称分布不同，Y型收缩墩体型消力池的压强分布表现出非对称的三元特性，消力池中前部紊动剧烈，表现出的三元特性较突出，而消力池后部压强分布则趋于均匀。在消力池进口处，水流经收缩墩收缩后形成收缩射流，直接冲击消力池底板，在进口处形成小范围冲击区，压强较大，但是否对底板的结构安全造成安全还需进一步验证。