防洪坝地下消力池的设计与有效性分析

刘 涛

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

地下消力池(ISB)作为传统消力池的替代方案，是一种底部出水口后同时截面增大和突然下降的消力池。目前，已有学者对消力池(SB)中的水跃进行了大量研究[1-3]，但对ISB内的水跃研究还很少。本文以位于额尔齐斯河流域阿勒泰防洪坝及其消力池为研究对象，此消力池采用水力经典跳跃法设计，为了获得所需的尾水深度，在消力池下游安装了一个端槛。在端槛上安装了两个狭缝，用于冲洗泥沙并实现鱼类通过功能。本文应用K-R方法(Katakam和Rama在1998年对一个仅扩大消力池的水跃进行了理论和试验研究，本文将此研究方法简称K-R法)[4]提出了所研究消力池的更新设计，即地下消力池和主要控制参数。并从阿勒泰防洪坝出口尺寸和消力池尺寸的角度对消力池的新设计和现有设计进行了比较。

1 地下消力池

传统消力池由棱柱形、矩形和接近水平的水池组成，该水池采用经典水力跳跃法设计。这种消力池需要相对较高的下游尾水深度，以确保从超临界流过渡到亚临界流，并减少下游河床的侵蚀。通过将突然增大和突然下降相结合，形成了类似于阿勒泰防洪坝的非棱柱形消力池。

1.1 主要参数定义

当突然下降与突然扩大相结合时，每个测量值的典型水力现象相互重叠，相互影响，并产生整体特征非常复杂的水力跳跃。本文在塔里木大学水利实验室开展了这项研究，旨在研究ISB中的水跃流动模式。清水相中ISB的能量损失(HL)可能取决于以下参数，如式(1)所示。

HL=f(U0，b，h0，s，B，L，h2，D，ρw，g)

(1)

式中：HL为能量损失，m；U0为底部出口的出口速度，m/s；b为出口宽度，cm；h0为出口高度，cm；s为台阶深度，cm；B为ISB宽度，cm；L为SB长度，cm；h2为后续深度，cm；D为端槛高度，cm；ρw为水密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2。

因此，相对能量损失REL可以写成以下无量纲参数的函数，如式(2)所示。

(2)

式中：H1和Fr1分别为底部出口与消力池的总能量和弗劳德数；y为后续深度与出口高度的比值(h2/h0)；γ为出口宽度与出口高度的比值(b/h0)；β为膨胀比(B/b)；S为跌落数或阶跃深度与底部出口高度的比值(s/h0)；α为ISB的长宽比(B/L)；δ为相对端梁高度(D/B)。此外，后续深度(h2)可以在式(3)中定义。

h2=s+D+hc

(3)

式中：h2为后续深度，cm；s为台阶深度，cm；D为底槛高度，cm；hc为端槛上的临界水深(Fr=1)，cm。

1.2 基于K-R方法的消力池设计

在K-R方法中应用动量守恒定理及能量方程如式(4)和式(5)，以计算ISB的后续深度与出口高度的比值y和相对能量损失REL。该等式的输出可以作为确定ISB最佳设计的可靠准则之一。

(4)

(5)

1.3 阿勒泰防洪坝和消力池

阿勒泰防洪坝设计为额尔齐斯河100 a一遇的可能流量(Q洪峰=640 m3/s)，并安装了两个无闸门底部出口(3.4 m×4.4 m×2个)和溢流溢洪道。为了消散能量，设计了一个带有端槛(D=3 m)的传统水跃式消力池，其中安装了两个狭缝，用于从消力池中进行自泥沙冲洗，如图1所示。此消力池的设计非常接近所提出的ISB概念；因为阿勒泰防洪坝的河床高度比其底部出口的高度低4 m，在该底部出口处形成了一个水池。但是，阿勒泰防洪坝设计和地下消力池概念之间有3个主要区别：(1)阿勒泰防洪坝的底部出口通过坡道与消力池连接(而不是突然下降)。(2)在阿勒泰防洪坝的下游端有一个端槛，而在地下消力池概念中打算消除该端槛。(3)与阿勒泰防洪坝设计相反，地下消力池概念中下游区域的原始河床高程将与其底部出口齐平。值得一提的是，消力池的宽度是根据下游河道的宽度(B=30 m)进行设计的。

图1 阿勒泰FMD底部出口及消力池

2 结果与讨论

在本节中，通过实施K-R的方法，提出了阿勒泰消力池的新设计。消力池的新设计考虑了100 a一遇的洪峰(Q洪峰=640 m3/s)通过一个底部出口，而不是两个底部出口。本文研究了几种情况，包括消力池的不同几何形状以及35 a、50 a、75 a和100 a四个洪峰重现期的不同出口尺寸。为了重新设计消力池，使用式(4)计算y(h2/h0)的比值。然后，通过将h2代入式(3)中，获得D。式(5)预测的REL和D是评估设计的两个关键标准。

图2显示了对于不同的消力池几何形状，S(s/h0)随δ(D/B)的变化。如图2所示，对于给定的消力池几何形状和特定的底部出口尺寸，随着S的增加，δ降低。换句话说，增加s可以降低D，从而促进鱼类洄游。相比之下，较大的S会略微减少消力池的能量耗散，可以忽略不计。在所有情况下的ISB概念中，相对能量损失(REL)的值几乎相同，其平均值等于55%。对于图2中给定的S，当b>h0(水平矩形)时，δ最低。

图2 不同消力池几何形状和不同底部出口尺寸的S随δ的变化

另一方面，当b

表1 原消力池设计与本研究中提出的新消力池设计之间的比较

图3显示了在ISB的几何形状和底部出口的尺寸不变时，不同洪水重现期(不同的Fr1)的S随δ的变化。如图所示，对于给定的S，需要更大的端槛高度才能获得更大的Fr1。显然，如何缩短洪水重现期以确保较小的D在设计标准中起着关键作用。如上所述，K-R方法可能是唯一考虑ISB概念的研究。然而，所提出的方程不能直接用于设计目的，主要是因为其没有尝试预测水跃长度。

图3 不同消力池几何形状和不同底部出口尺寸的S随REL的变化

3 结 论

本文利用K-R方法对阿勒泰防洪坝的消力池进行了重新设计，即地下消力池代替原消力池。结果发现：(1)增加S并安装更宽的底部出口(水平矩形，b>h0)，可以显著降低D。(2)重新设计的地下消力池可以使能量消耗增加了2.5倍，D降低25%。(3)洪水重现期可以作为主要的设计标准之一，因此，短期洪水重现期可以降低D。

考虑到地下消力池的环保特性和该概念中的未知因素，需要进一步研究，以提出新的消力池设计准则。可以从以下几点进行研究：(1)确定大范围底部出口和消力池尺寸对地下消力池内流型的影响。(2)安装一些单独的桥墩(圆柱形挡板)，而不是端槛，以消除对鱼类和沉积物通道的阻碍。(3)考虑在主底部出口上方增设出口，形成瀑布进入消力池，以打破水力跳跃并耗散流动能量。