阿尔塔什导流洞消力池水力特性研究

李彦坡,李会平,缑文娟,孟 涛

(1.新华水力发电有限公司，北京 100070;2.天津大学 建筑工程学院，天津 300350;3.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

消力池底板破坏在水利工程运行中时有发生。泄水建筑物下泄的高速水流具有巨大的能量和相当大的冲刷破坏能力。如果不对高速水流加以控制会对建筑物造成破坏，底流消能是水利工程中常见的消能方式，流态稳定、消能率高、对地质条件要求较低，尾水水位变化适应性较强[1]。底流消能工应用于高水头、大单宽流量泄洪工程时，由于底流消能工是通过水跃进行消能的，水流紊动强烈，能量耗散主要集中在消力池前半区，作用在消力池的临底流速、动水压强等往往会较大，会直接影响消力池的底板稳定，容易造成消力池底板破坏[2- 3]，对底板的防冲保护难度很大。

近几年来，国内外接连发生了消力池底板失稳的事件，再一次将泄流防护结构稳定性问题摆在了科技工作者的面前。临底流速是底流消能工的一项重要的水力学指标，水流脉动压强的存在增大了消力池底板所承受的瞬时荷载、提高了对消力池底板强度和稳定性的要求[4- 7]。王康柱[8]分析了泄洪消能建筑物破坏原因，李杰[9]、郭丽等[10]结合工程实例，研究了底流消力池的水力特性，柳莹[11]、翟静静等[12]合实际工程研究了泄水建筑物的出口消能问题。本文通过1∶50水工模型试验重点研究了阿尔塔什导流洞消力池的水流流态、临底流速、时均压强、脉动压强的沿程分布情况；并对比了尾坎体型对水动力特性的影响，给出了相对较优的尾坎体型。

1 模型情况介绍

1.1 消力池体型

消力池底高程1651.00m，尾渠底高程1657.00m，消力池长78.00m，消力池为矩形断面，消力池净宽30.00m、边墙净高21.22m。消力池体型如图1所示。

图1 消力池体型(原体型)(单位：标高和桩号的单位m；长度单位mm)

1.2 尾坎体型优化

为了研究尾坎反坡及尾坎高度对水动力特性的影响，分别对尾坎加高1.5m、30°反坡尾坎未加高、30°反坡尾坎加高1.5m进行了试验研究，尾坎体型如图2所示。

图2 导流洞消力池尾坎体型(单位:m)

1.3 模型比尺及试验工况

利用1∶50导流洞单体水工模型，分别对导流设计洪水工况(P=5%枯水)、导流设计洪水工况(P=5%全年)2个典型工况开展模型试验研究。工况具体情况见表1。

表1 试验工况

2 原体型水力特性

2.1 流态

原体型模型试验流态照片如图3所示。

图3 导流洞消力池流态(模型试验照片)

从图3模型试验照片可以看出：

(1)导流设计洪水工况一,消力池流态及出池水流平稳；水跃发生在斜坡扩散段及陡坡段，斜坡扩散段水流扩散充分；进入消力池的水流旋滚已经很小，消力池内水流比较平顺，水面起伏不大，水深基本保持在13.75m，比下游水位高约0.5m；出池水流在护坦段无水面跌落，下游水流平稳。

(2)导流设计洪水工况二，水跃跃首基本发生在消力池前陡槽末端，池内形成接近临界水跃，水体旋滚剧烈；消力池内水流出现大幅波动，最大水深在19.0m左右，高出下游水位约4.4m，距边墙顶部约2.2m，虽然未超过边墙顶部但因水面波动较大有超过边墙高度的趋势；出池水流流态不佳。

2.2 临底流速

模型试验实测消力池中线的临底流速分布如图4所示。

图4 临底流速沿程分布图

从模型实测临底流速沿程分布图4可以看出：

(1)导流设计洪水工况一，最大临底流速发生在消力池前斜坡扩散段桩号0+845.000m处，最大临底流速为14.71m/s；消力池段临底流速比较小，在1.0～1.3m/s；出池后护坦段最大临底流速发生在桩号0+1024.586m，最大临底流速为3.87m/s。

(2)导流设计洪水工况二，最大临底流速发生在消力池前斜坡扩散段桩号0+865.6m处，最大临底流速为19.55m/s，随后临底流速逐渐减小，在消力池末端达到最小值2.67m/s；出池临底流速呈现先增大后减小的趋势，出池后最大临底流速发生在桩号0+1044.586m处，最大临底流速为11.84m/s。

(3)相比于导流设计工况一(5%枯水)，导流设计工况二(5%全年)的上游库水位、流量有很大提升，而2个工况的下游水位即消力池水深相差很小；导致工况二的临底流速比工况一大幅增加，消力池前陡坡段和池后护坦段的最大临底流速增幅分别为32.90%和205.94%。

2.3 动水压强

模型实测消力池中线的时均压强、脉动压强均方根沿程分布如图5所示。

图5 动水压强沿程分布图

从模型实测动水压强沿程分布图5可以看出：

(1)时均压强，时均压强基本呈现沿程先减小后增大再减小，最后趋于稳定的趋势，在消力池前斜坡段跃首处时均压强最小。工况一、工况二的跃首分别出现在桩号0+865.6m、0+978.9m处，对应的时均压强分别为2.75×9.8kPa和4.50×9.8kPa。

(2)脉动压强：脉动压强均方根在池前斜坡段和消力池段基本呈现沿程先增大后减小的趋势，工况一、工况二的脉动压强最大值分别出现在桩号0+870.0m、0+937.6m处，对应的最大脉动压强分别为1.02×9.8kPa和1.79×9.8kPa；脉动压强均方根在护坦段靠近消力池尾坎处出现一个比较大的值后迅速减小趋于稳定，工况一、工况二的脉动压强最大值均出现在0+985.6m处，对应的最大脉动压强分别为0.51×9.8kPa和1.94×9.8kPa。

3 尾坎体型对水力特性的影响

3.1 临底流速

消力池不同尾坎形式的临底流速沿程分布对比如图6所示。

图6 不同尾坎形式对临底流速沿程分布的影响

由图6中“原体型”与“30°反坡尾坎未加高”两种体型的临底流速对比可知：两种工况下尾坎处是否设置反坡对临底流速的影响不大，两种体型临底流速的沿程变化趋势及大小基本一致。

由图6中“原体型”与“尾坎加高1.5m”临底流速对比、“30°反坡尾坎未加高”与“30°反坡尾坎加高1.5m”临底流速对比可知：尾坎加高后，工况一时，消力池前斜坡段临底流速有所降低、消力池段与池后护坦段临底流速几乎不受影响；工况二时，消力池前斜坡段、消力池前端临底流速均有所降低，消力池段后段与池后护坦段临底流速几乎不受影响。

3.2 动水压强

消力池不同尾坎形式的时均压强沿程分布对比如图7所示，脉动压强均方根沿程分布对比如图8所示。

图7 不同尾坎形式对时均压强沿程分布的影响

图8 不同尾坎形式对脉动压强均方根沿程分布的影响

由图7—8中“原体型”与“30°反坡尾坎未加高”的动水压强对比、“原体型”与“尾坎加高1.5m”动水压强对比、“30°反坡尾坎未加高”与“30°反坡尾坎加高1.5m”动水压强对比可知：

(1)时均压强，工况一时由于消力池水流流态及出池水流平顺，消力池尾坎处是否设置反坡和尾坎是否加高对时均压强的影响都不大；工况二时消力池尾坎处是否设置反坡对时均压强的影响不大，尾坎加高后消力池段的时均压强略有增加。

(2)脉动压强，工况一时由于消力池水流流态及出池水流平顺，消力池尾坎处是否设置反坡和尾坎是否加高对脉动压强均方根的影响不大，尾坎加高时脉动压强均方根最大值略有前移；工况二时尾坎处的反坡对脉动压强均方根的影响不大，尾坎加高后消力池段的脉动压强均方根最大值有明显降低。

3.3 尾坎影响及方案比选

(1)尾坎影响，相比于消力池尾坎处的反坡，尾坎高度对水力特性的影响更明显。尾坎处设置反坡对临底流速、时均压强、脉动压强均方根几乎没有影响。尾坎高度对时均压强略有影响，对临底流速和脉动压强均方根的影响相对较大；消力池前斜坡段及消力池前端临底流速随尾坎加高而减小，大流量时时均压强随尾坎加高略有增加、消力池段脉动压强均方根最大值随尾坎加高而减小。

(2)方案比选，试验范围内，脉动压强均方根都不大，但导流设计工况二时水流旋滚剧烈、水面波动较大、出池流速较大。尾坎适当加高能起到稳定消力池流态的作用，综合考虑消力池内流态及出池流速，以30°反坡尾坎加高1.5m较优，主要体现在消力池前陡坡段及出池流速均有所降低。

4 结语

本文基于1∶50水工模型试验研究了阿尔塔什导流洞消力池的水力特性及尾坎体型对水力特性的影响，主要结论如下：

(1)两种工况最大临底流速均发生在消力池前端斜坡扩散段。

(2)时均压强基本呈现沿程先减小后增大再减小，最后趋于稳定的趋势。

(3)沿程脉动压强均方根都较小，脉动压强均方根在池前斜坡段和消力池段基本呈现沿程先增大后减小的趋势，在护坦段靠近消力池尾坎处出现一个比较大的值后迅速减小趋于稳定。

(4)相比于消力池尾坎处的反坡，尾坎高度对水力特性的影响更明显，尾坎适当加高能起到稳定消力池流态的作用。综合考虑消力池内流态及出池流速，30°反坡尾坎加高1.5m体型较优。