水库溢流坝段底流消能模型试验分析

翟梦恩，姚伟超，刘晓东

（浙江中水工程技术有限公司湖州分公司，浙江 湖州 313000）

水利水电工程的建设工作重点在于保证水库的安全，同时使工程效益最大化，由此重中之重在于如何建设泄水建筑物[1]。泄水建筑物的造价约占水利水电工程总造价的1∕2，因此，选取适当的泄水建筑物及消能类型，将极大影响到水利水电工程的安全和经济成本[2，3]。通过研究排水结构及消能结构对水力特性产生的影响，最终得到增加防挑盖板的T形消力池能够有效提高消能效率。该方法分析T形消力池的长度和形状，发现布置T 形墩和适当增加高尾坎能够显著提高消力池的消能率。

试验中，水库工程的泄水建筑物选取溢流表孔堰，通过水工模型得到消力池最初设计较短、水流流态较差、未能实现正常运行，且河道断面平直段较短、周围施工围堰和导流隧洞的位置导致消力池的长度不能增长的结论[4，5]。根据以上因素设计试验方案，通过在消力池中摆放辅助消能器，观察是否可以提高消能效率。

本文以白水水库为例，开展相关水工模型试验，分析消力池水流流态、流速和消能特性情况，为实际的工程设计优化提供依据。

1 工程概况

白水水库正常蓄水位1257.51m，总库容1364万m3，平均供水量1 362.8万m3。大坝由引水坝段、溢流坝段和挡水坝段等构成，为碾压混凝土重力坝，坝顶长181 m，坝顶宽6 m，坝顶高程1 259 m，最大坝高51 m，最低建基面高程1 189 m。消力池为54 m×13.6 m，底板高程1 189 m，两侧边墙坡度1∶0.4，在消力池的末端布置尾坎，高为8.6 m，宽为3 m。该水库消能通过底流消力池进行，临底流速大，会出现消能防冲问题。溢流坝平面，如图1所示。

图1 溢流坝平面布置

2 传统设计方案

2.1 模型设计

设计的模型比尺采用1∶30，根据重力相似准则来进行设计，参数如下：长度比尺λL，计算公式为式（1），采用值为30；糙率比尺λn，计算公式为式（2），采用值为1.87；流量比尺λQ，计算公式为式（3），采用值为4 938.61；流速比尺λv，计算公式为式（4），采用值为5.59。

应用断面板法构成试验模型，模型大致由上游库区与下游河道构成，消力池主材料为混凝土，溢流坝主材料为有机玻璃，需要进行水泥浆抹面。

本文主要是对溢流坝底流消力池消能防冲问题进行研究，在消力池布置9个测量断面。

2.2 流态

在消能防冲工况下，消力池产生侧向回流现象，距离尾坎3 m 左右有主流向上水平方向翻滚的状态，其上游与前端消力池水跃衔接，大涌浪将涌向消力池高台。水流在尾坎处会有跌水形成，对下游河道形成冲刷。设计洪水和校核洪水工况下，消力池后端水流涌浪与消能防冲工况下相比更猛烈，水流紊动更加剧烈，维持着较高出池流速，并产生水跃现象。

2.3 流速分布

水流速度是代表水体动能的物理量体现，在消力池中分别测量9 个断面左岸、中部和右岸的表面和底部流速。通过试验，得到消力池前8 个断面产生回流现象、流速为负，而最后1 个断面流速为正。

在消能防冲工况下，表面流速最小位于8 号断面，最快位于2 号断面，消力池尾部明显增快，其变化较为平稳的是水平方向上的右岸和中部，左岸较大；底部流速逐渐下降，消力池尾部因为尾坎阻挡会有较大的下降幅度，而在水平方向上没有多大的差距，右岸要比左岸和中部大，出池较小。

在设计洪水工况下，表面流速与消能防冲工况下一致，前8 个断面产生回流现象、流速为负，而最后1 个断面流速为正，中部和左岸比右岸大，最大位于2 号断面；左右岸和中部底部流速下降幅度一致，下降幅度增大的是消力池尾部，水流主要在表层集中。

在校核洪水工况下，表面流速与消能防冲工况下一致，前8 个断面产生回流现象、流速为负，而最后1 个断面流速为正，左岸比右岸和中部大，最大位于2 号断面，消力池尾部流速上升快；底部流速左岸比右岸和中部小，因受尾坎阻挡会有较大降幅。

本方案在消能防冲、设计洪水和校核洪水工况下，消力池均产生了明显的水跃迹象；因为水流波浪纹杂乱，一些小支流在消力池内形成涌浪，进而激起水流至消力池平台之上。根据试验结果分析发现，工程实际运行中由于尾坎处水面壅高，河道内水流易产生二次水跃，造成下游河道破坏从而危及工程结构安全。

3 跌坎+T形墩

3.1 体型设计

堰面下游应用水平跌坎，高度2 m，使得消力池底板标高减少到1.185 m，尾坎末端降至7.4 m。T形墩主要用于分流、阻流，可进行涡流测量，扩大旋流水总量，强制水跃相对平缓，能够提高消力池的消能效率。

传统T形墩前墩厚2 m、高3 m、宽4 m，尾坎高5 m，支腿长6 m。特定工程设计中，对T形墩各部尺寸制定需要选取恰当的比例系数k。试验中，尾坎高7.4 m，选用k值为1.48合理，根据传统T形墩的要求只能设计一个。

3.2 流态

在消能防冲工况下，采用跌坎消力池与T 形墩后，水流受T 形墩阻挡上扬，产生水跃，通过横轴旋滚能够把大量水能消泄，效果比较显著。但是，由于只能设计一个T 形墩，所以无法把T 形墩分流消能的作用充分发挥出来，仍然还会有涌浪涌出消力池3 m 左右，消力池内水流不良流态依然没有改善。因受T形墩的影响，在设计洪水和校核洪水工况下，尾坎的壅高水流有明显降低，尾坎后跌水情况有所减弱，但是二次水跃在下游仍然还会出现，但水流衔接会更加平稳。

3.3 流速分布

在消能防冲、设计洪水、校核洪水工况下，表面流速受到T 形墩阻挡，1～7 号断面会有回流产生，流速方向指向上游，除了回流断面提前到T 形墩前墩以外，基本与传统设计方案一致。

在消能防冲、设计洪水、校核洪水工况下，底部流速变化规律与传统设计方案一致，呈现逐渐减小的趋势。7 和8 号断面（桩号0+078.30—0+084.50），受T形墩阻挡，流速大幅下降；最大流速达到21.35 m∕s，位于1号断面；消力池尾部流速达到最小，基本保持在0.5～2.5 m∕s。

与传统设计方案相比，跌坎+T 形墩方案消力池内水流流速下降，二次水跃减弱，由此可以看出，消力池通过T形墩与跌坎的双层设定消能效果更加明显。但是，经过单个T 形墩阻挡，水流涌浪较高，流态不良，不能完全发挥出T形墩的作用。而且，由于只能布设一个T 形墩，其流态以及消能没有很大的改善。

4 跌坎+改良T形墩

4.1 体型设计

传统T形墩前墩厚2 m、高3 m、宽4 m，尾坎高5 m，支腿长6 m。本工程因为消力池底板宽度与尾坎高度比值较小，所以只能设计一个传统T 形墩。受此限制，T 形墩的消能效果很难发挥。为此，根据消力池底板宽度设计一种改良T 形墩，同时布置2 个，前墩厚3 m、高4.2 m、宽2.5 m，尾坎高8.5 m，支腿长9 m。优化T形墩，如图2所示。

图2 T形墩优化设计

4.2 流态

在消能防冲、设计洪水、校核洪水工况下，水流流态有着细微差别，最终都会在消力池中产生淹没式水跃，同时会在溢流段反弧段末端产生水跃。当水流跃入梯形消力池时，会产生侧向回流现象，主流被T 形墩阻挡随之上升，发生强烈波动且有一定高度的强制水跃，而水平方向的水流均发生旋滚，使消力池中气压增强，由此可看到改良的T 形墩能够实现分流和消能效果。

跌坎+改良T形墩方案与传统设计方案相比，消能防冲工况下消力池内水流互动使消能效果最佳。改良T 形墩和尾坎处的壅高明显减少且流速下降，设计洪水和校核洪水工况下水流流量较大且猛烈，因此消能效果更佳。校核洪水工况下，消力池两侧1 210 m 的高台会发生涌浪上跃现象。在上述2 个大流量工况的试验中，水流经过尾坎产生二次落差，同时一些水流会与河床发生反应从而消能，效果显著。消能防冲、设计洪水、校核洪水工况下，水流均属于平缓的淹没混合流，在经过尾坎桩号0+090.80—0+121.80 段会有很小的二次水跃。综上，改良后的T形墩消能效果更佳。

4.3 流速分布

在消能防冲、设计洪水、校核洪水工况下，表面流速受改良后T 形墩阻挡，1～7 号断面（桩号0+041.10—0+078.30）水流方向指向上游，回流断面提前至改良后T形墩前墩。表面流速变化规律与上述2 种方案基本一致，其中左岸、中部略高于右岸，为2～3 m∕s。

在消能防冲、设计洪水、校核洪水工况下，底部流速变化规律与传统设计方案相同，表现为大致减小的趋势。7～8号断面由于改良后T形墩阻挡，水流流速大大降低，最大流速位于1 号断面（桩号0+041.10）为17.75 m∕s，此时消力池尾部最低约为2.5 m∕s。进入消力池内流速下降，改良后T 形墩分流和消能效果更加显著，水流在改良后T 形墩和尾坎处壅高明显减少且流速下降，消力池下游二次水跃现象明显减弱，水流为平稳淹没混合流，说明改良后T形墩消能更加充分[6，7]。

试验中，测量桩号0+090.80 断面的出水流速，以评价水流是否对下游河道产生冲刷，结果详见表1。在消能防冲、设计洪水和校核洪水工况下，跌坎+改良T 形墩方案的出池流速均有所减小且幅度多为2～3 m∕s，表明改良后的T 形墩可以有效降低水流速度，减少对下游河道的水侵蚀作用。

表1 不同工况下3种方案出池流速对比

5 消能效果分析

消能效果用消能率来表征，其计算公式如下：

式中：E1为上游进口断面总能量（m）；E2为下游出口断面总能量（m）。

式中：z为各断面位置水头（m）；α取1；g为重力加速度（m∕s2）；v为流速（m∕s）。

为了对比消能防冲、设计洪水和校核洪水工况下消力池消能率的变化情况，设定消力池水跃之前的断面为初始计算断面。因为水跃现象发生前水流在断面之上，很难去测量得到水深和流速，所以将溢流段堰顶设定为初始断面1；水流流经T形墩消力池尾坎时会丧失一些能量，进而产生二次水跃，所以将T形墩消力池尾坎作为断面2，以此求得消能率，结果详见表2。由表2可知，跌坎和改良后的T 形墩并用大大提高了消力池整体消能率。伴随着水流流量的升高，校核洪水工况下跌坎+改良T形墩方案的消能率最低，可以在维持下游消力池消能效率情况下使水流最大化减缓，能够减轻对下游河床的冲刷作用。

表2 消能率计算结果

6 结论

本次试验采用水力模型理论，以白水水库为研究对象，选用溢流坝段底流消力池，对传统设计、跌坎+T 形墩和跌坎+改良T 形墩3 种方案下的水力特性开展对比试验，并对试验结果进行分析，得到以下结论。

（1）跌坎+T 形墩方案和跌坎+改良T 形墩方案下，消力池在传统设计方案中的不良水流流态不复存在，同时二次水跃现象减少，对河床冲刷程度较弱，说明T 形墩对分流和消能有一定的作用。但经过对比发现，改良T形墩能更好地分流及消能，弱化水流流态，降低其出池流速，大大减轻了对下游河道的冲刷，消能效果更好。

（2）跌坎+改良T 形墩并用的整体消能效果最佳，在消能防冲、设计洪水、校核洪水工况下消能率均大于70%。尽管校核洪水工况下消能效果较小，但经综合考虑认为该方案可以保证消能后的水流更加平缓，有利于减轻对下游河道的冲刷，整体消能效果最佳。