单侧渐扩消力池体型优化与水力特性分析

摘 要：东涌水库溢洪道采用泄槽台阶消能+下游消力池底流消能的工程方案，但受限于地形地质条件，消力池宽度较窄，与河道呈145°夹角，且下游现状交通桥阻碍行洪，不利因素较多。原方案泄流进入消力池后，池内水面波动大，出池水流大幅加速，河道内主流集中，交通桥上游左侧形成大范围回流区。通过水工模型试验，对消力池布置方案进行优化。结果表明：通过加深消力池、池内前段设T型墩、左偏消力池左侧边墙、降低尾坎起反坡至河道等措施，水流流态明显改善。泄流入池后水面波动幅度减小，出池水流不再加速，河道内水流分散、流速减缓。研究成果可为类似工程提供借鉴。

关键词：溢洪道；单侧渐扩消力池；T型墩；水工模型；流态优化

中图分类号：TV131. 61 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2025）01-0103-07

Shape Optimization and Hydraulic Characteristics Analysis of Unilateral"Divergent Stilling Basin

SHI Linping1， LIAO Zhiying2，3*， XIE Zhigao1， ZHOU Xuncheng4， TU Xiangyang2，3

（1. Shenzhen Eastern Water Resources Management Center， Shenzhen 518121， China; 2. Pearl River Water Resources Research Institute， Guangzhou 510611， China; 3. Pearl River Estuary Coastal Engineering Technology Research Center， Ministry of Water Resources， Guangzhou 510611， China; 4. Shenzhen Water Planning and Design Institute Co.， Ltd， Shenzhen 518036， China）

Abstract： The spillway of Dongchong Reservoir adopts an engineering scheme of spillway step energy dissipation and downstream stilling basin underflow. However， due to the limitations of terrain and geological conditions， the width of the stilling basin is small， and the angle between it and the river is 145°; meanwhile， the current downstream traffic bridge hinders flood discharge， resulting in many unfavorable factors. For the original scheme， the discharge entering the stilling basin makes the water surface fluctuate greatly， and the water flow out of the basin accelerates significantly. The main flow in the river is concentrated， and a large-scale backflow area is formed on the left of the upstream traffic bridge. This paper optimizes the layout scheme of the stilling basin through hydraulic model tests. The results show that through measures such as deepening the stilling basin， installing T-shaped piers in the front section of the basin， shifting the left side wall of the stilling basin to the left， and lowering the tail-weir and creating a reverse slope towards the river， etc. ， the water flow pattern is significantly improved. After the discharge enters the basin， the fluctuation amplitude of the water surface decreases， and the water flow out of the basin no longer accelerates. The water flow in the river is dispersed and the flow velocity falls. The research results can provide a reference for similar projects.

Keywords： spillway; unilateral divergent stilling basin; T-shaped pier; hydraulic model; flow pattern optimization

溢洪道是调节水库水位、防止洪水灾害的关键结构。然而，在泄洪过程中，高速水流携带的巨大动能若未得到有效消散，将对下游河道环境造成不利影响。挑流消能为国内应用最多的消能方式，但对下游冲刷区的地址要求较高。底流消能作为一种常规的消能形式，通过泄流在下游消力池形成水跃来消耗能量［1-2］。同时，为提高消能效率，减小工程量，常在消力池内设置辅助消能工进行联合消能［3］。

吴战营等［4］利用模型试验的手段，通过在消力池内设悬栅和梯形墩的联合消能方式，解决了池内水外溢、不能形成淹没水跃的问题，缩短了消力池池长。孙桂凯等［5］在溢洪道消力池优化模型试验中，通过加高尾坎，降低消力池底板来加大池深，能够使泄流更为平顺，降低泄流出池后在河岸边坡的流速。梁朋林等［6］采用数值模拟、水工模型试验相结合的手段，对比了在消力池末端增设尾坎、支墩、消能齿槽方案，结果表明增设尾坎方案消能效率最高，减轻下游河床效果最佳。曾贝佳［7］利用模型试验的手段，研究了不同高度的消力池尾坎对下游水流水力参数的影响，研究发现过高的尾坎将造成出池水流二次跌落，不利于下游河道的抗冲。高兴辉［8］利用数值模拟的手段，研究了T型墩的梯形设计对消能效果的影响，其中前设梯形墩、后设T型墩的方案消能效率最高。翟梦恩等［9］在模型试验中，对比了不同T型墩方案下的溢洪道下游水力特性，提高了消能效率，降低了出池流速。

上述工程通过优化消力池体型、增加辅助消能工提高了消能效率，改善了泄流流态。但本文研究工程受限于地形条件，消力池宽度有限；消力池与河道呈夹角，且与现状交通桥距离较近，不利因素较多。结合SL 253—2018《溢洪道设计规范》［10］要求，开展模型试验，针对本工程泄流流态，优化工程布置。

1 工程概况

东涌水库位于深圳市大鹏半岛南部，东涌河的中下游，集水面积为9. 6 km2，主流长度为5. 31 km，河床比降为0. 067。总库容1 190. 99万m3，属中型水库。设计洪水标准为100年一遇；校核洪水标准为2 000年一遇。消能方案为溢洪道阶梯消能+消力池底流消能。受地形地质等条件限制，东涌水库溢洪道泄槽起始段为弯段，中部设有导墙，可以改善弯道水流条件［11-12］。为消耗泄流能量，泄槽直线段设有台阶进行消能。泄槽末端设反弧段与等宽下挖式消力池连接，池深3. 5 m，底板高程-2. 5 m。消力池侧墙采用重力式挡墙，墙顶高程为6. 0 m。消力池下游出水渠边坡及底板采用0. 3 m厚C25混凝土衬砌，内嵌块径0. 2～0. 8 m的卵石。水流从泄槽末端流入消力池内，再进入经过人工抛石底部加糙后的拓宽平台，待水流平缓后汇入下游河道中。工程平面布置见图1，纵剖面见图2。

2 试验成果

2. 1 模型设计

a））模型范围。水工模型平面布置见图3、4，模型上边界为水库库区，驼峰堰以上约140 m，驼峰堰右侧、左侧库区范围分别为90、50 m，下边界为溢洪道工程出水渠弯段河道衔接处下游180 m处。其中，在库区上游右侧设置前池。模型采用水泥刮制，河道断面采用断面板法放样，水泥砂浆抹面。采用正态模型，按重力相似准则［13］设计，即在水工模型与工程原型2个系统下，流体的惯性力与重力之比值（弗劳德数）相等，以保证水工模型与工程原型的水流运动在重力作用下相似。

b））模型比尺。根据SL 155—2012《水工（常规）模型试验规程》［14］中的规定，研究东涌水库溢洪道工程相关泄水建筑物水力特性，比尺一般不小于120。结合场地、设备、供水流量以及量测精度等要求，确定几何比尺为25，其余比尺详见表1。满足雷诺数、水深要求，保证模型水流处于紊流区并满足表面张力限制条件。

c））试验方法。模型流量通过电磁流量计量，水位由固定测针量测；流速由LS-3C光电旋桨流速仪量测；模型流态由数码相机记录，数据采集后输入计算机统计绘图。流速测点布设见图5，试验工况见表2。

2. 2 原方案试验成果

50、100年一遇条件下，入池流态、出池流态见图6、7。

水流入池后翻滚明显，消力池前段水面波动大，波动范围分别约为池长的60%、80%，消力池边墙防护高度不足。出消力池底坎后进入扩宽段（由10. 6 m扩宽至15. 8 m），水流虽能横向扩散，但仅扩宽1. 5倍，过水断面较小，水流在扩宽段为加速状态，水面跌落约1. 2～1. 6 m。水流进入河道时形成水跃，进一步横向扩散（河宽约40. 0 m），流速减缓，但主流仍较为集中，且因消力池与河道约呈145°夹角，流向偏向河道右侧，仅正对交通桥桥墩右2～3孔，在桥上游左侧形成大范围回流。

50、100年一遇条件下，主流流速分布见图8，河道内流速分布见表3。水流流速在扩宽段分别由2. 50、3. 20 m/s加速至6. 24、6. 48 m/s，因扩宽段内水流薄、流速快，水流流速垂向差异较小。主流在河道内流速降至5. 00 m/s以内，至交通桥前流速降至3. 05、3. 43 m/s。河道内主流较为集中，因消力池与河道斜交，主流从河道中部偏向右侧，左侧回流区则为低流速区。

原方案试验成果表明：入池水流在消力池前段流态较差，消力池边墙防护高度不足；出池水流过流断面小，消能后的水流二次加速（加速2. 0～2. 5倍）；河道内主流集中，且受现状交通桥限制，河道内水流流态较差，未充分利用桥孔过流断面。因此需要对消力池及其与河道的连接段进行优化，避免消力池内水流大幅加速，分散、均匀河道主流。

2. 3 优化方案试验成果

2. 3. 1 优化方案布置

消力池下挖2. 0 m，池底高程调整为-4. 5 m，消力池起点随泄槽底坡向下游顺延6. 0 m，尾坎位置不变但坎顶部高程降低1. 5 m，调整为-0. 5 m，起反坡至消力池下游扩宽段，底高程为1. 0 m。并将下游消力池边墙左偏6°，扩宽至17. 2 m，扩宽段左侧边墙左偏扩宽至19. 4 m，与扭面河道顺接。在消力池起点2 m处增设T型墩1排2个，参考相关研究中T型墩体型［15-16］，前墩宽2. 6 m，前墩厚1. 3 m，支腿长3. 9 m，支腿厚1. 3 m，高1. 3 m，前墩净间距2. 6 m。详见图9。

2. 3. 2 水流流态及流速分布

50、100年一遇条件下，入池流态、出池流态见图10、11。

消力池水面波动范围分别约为池长的50%、70%，水面波动幅度相比原方案已明显减小，设计工况下最大水面波动已减小约1. 2 m，消力池边墙高度满足设计要求。因消力池尾坎处、扩宽段末端分别扩宽为消力池首端1. 65、1. 85倍，水流在消力池池内、扩宽段横向扩散更为充分，水流至扩宽段与河道相接处更为连续，水面不再跌落，水流无明显加速。水流进入河道后流速减缓，主流更为分散，左侧无明显回流，水流通过桥孔更为顺畅。

50、100年一遇条件下，主流流速分布见图12，河道内流速分布见表4。主流流速在消力池坎后的扩宽段内略有加速，进入河道后流速略有减小。因扩宽段内设有反坡，水深加大，水流流速垂向差异相对更大，表层流速分别为2. 78～3. 01、3. 23～3. 43 m/s，底层流速分别为2. 18～2. 67、2. 19～2. 79 m/s。河道内表层流速最大分别为2. 48、2. 75 m/s，河道内底部流速降至2. 50 m/s以内，不会对混凝土硬化、内嵌卵石后的河床有明显冲刷。河道内中部、两侧流速相对均匀，主流较为分散，河道内3个断面1、2号测点流速均和中部流速相近；0+306断面4号测点靠近导流洞下游的静水区，故流速较小，0+317、0+329断面处4号测点流速明显增加，与中部流速相近。2个工况下主流流速分别削减为原方案主流流速的55%～67%、58%～64%，扩宽段、下游河道沿程主流流速变化幅度分别为0. 59、0. 60 m/s，远小于原方案的3. 77、3. 95 m/s。

从试验成果来看，优化方案在消力池前段设T型墩有效地打散了入池水流，消耗能量，减小了水体波动。消力池及其扩宽段左偏增加了水流横向扩散的空间，在扩宽段降低尾坎高度、设反坡，则增加了水流纵向扩散的空间，避免了出池水流主流集中，河道内水流也更为均匀、主流更为分散。此外，通过加深池深来提高消力池的消能效果，避免了尾坎高度降低导致水流在池内消能不充分。

2. 4 讨论

原方案中存在的主要问题为消力池前段水面波动大、水流经消力池消能后再次加速、泄流在河道内主流集中，可能对内嵌卵石的河床产生冲刷。本研究结合类似工程的研究案例，分析问题成因，提出针对性的优化措施，并通过优化方案试验进行验证。

本工程受限于地形地质影响，消力池设计宽度受限，水流横向扩散空间小。相比等宽消力池，扩散形消力池通过水流的扩散提高了消能效率，流态更为稳定［17-18］。赵东阳等［19］、杜牧康等［20］基于偏岩水电站，通过数值模拟、水工模型试验的手段，研究了单侧渐扩消力池扩散角对消力池内水力特性的影响，建议单侧扩散角度宜取3～6°。因本工程受限于下游河岸侧树木，仅能调整消力池左侧边墙，且调整空间有所限制。因此，结合类似工程试验研究及本工程限制因素，将消力池左侧边墙左偏6°，消力池尾坎、扩宽段末端的宽度调整为消力池起点的1. 65、1. 85倍。

原方案中水流在消力池尾坎、扩宽段首端流速不大，虽池内前段水面波动大，但尾坎处水面波动较小，表明泄流在消力池内有一定消能效果。曾贝佳［7］在四川某溢洪道模型试验中发现尾坎过高将导致尾坎、下游河道产生较大的水位差，导致水流二次跌落、加速。但在本工程中，尾坎后的扩宽段与河道平坡顺接，因交通桥阻水，河道内水深加大、水位壅高，而扩宽段内水流水深小，水位明显低于下游河道水位，表明泄流二次加速的成因并非上游水位明显高于下游水位。泄流从扩宽段的急流过渡至下游河道的缓流，形成水跃。这是因为泄流经消力池后，缺少扩散空间，水压力转换为动能，导致二次加速。目前，国内外相关工程大都通过设计扩散性消力池来提高水流横向扩散空间，本研究在单侧横向扩散的基础上，通过降低尾坎高度来增加水流的纵向扩散空间，虽随着底坡反坡至扩宽段末端，水流纵向扩散空间将再次减小，但横向扩散空间逐渐加大，避免水流因扩散空间不足而二次加速。

刘增文等［21］通过数值模拟对比、水工模型试验验证，对比了大洪纳海水库溢洪道消力池内不同T型墩布置形式的水力特性，研究表明在消力池中部设双排T型墩方案对比在尾坎设单排T型墩方案，池内波动幅度更小，跃后水深减小，水位降低，跃后水流平稳，且出口流速更小。本工程仅池内前段水面波动大，池内中部波动较小、尾坎无明显波动，故在池内前段设T型墩来打散入池水流，消减能量。此外，加深池深以加大水深，稳定水体。

3 结论

本研究通过模型试验的手段，对原设计方案进行验证，针对存在的不利流态，结合类似工程案例和本工程特点，优化工程布置进，明显改善了泄流流态，减少了泄流对下游河道的不利影响，对类似工程具有借鉴意义。主要结论及建议如下。

a））原方案消力池水面波动幅度较大，出池水流缺少扩散空间，在扩宽段加速2. 0～2. 5倍，随后在河道内形成水跃。河道内主流集中，受现状交通桥阻水影响，水流在桥上游左侧形成大范围回流区。

b））优化方案通过左偏消力池及其扩宽段左侧边墙，降低尾坎高度、反坡至河道2个措施，增加了出池水流的横向、纵向扩散空间，可避免水流二次加速；通过在消力池前段设T型墩来打散入池水流，消耗能量。加深池深以加大水深来稳定水体，减小水面波动幅度。

c））方案优化后，池内水面波动范围减小10%，设计工况下波动幅度最大减小约1. 2 m，河道内主流流速削减为原方案的55%～67%，河道底部流速均小于2. 50 m/s，不会对混凝土硬化后的河床有明显冲刷。

d））增加消力池尾坎高度虽利于提高消能效率，但可能限制水流的扩散空间，导致水流二次加速，对下游河床、边坡不利。

e））通过将降低消力池尾坎形成反坡能够增加水流的纵向扩散空间，但过多降低消力池尾坎高度将对消能效率产生不利影响。目前，应用该布置形式工程案例与相关研究较为匮乏，未来可进一步开展相关系统研究。

参考文献：

［1］张鹏.溢洪道消能方式的选择探讨［J］.水利科学与寒区工程，2023，6（9）：122-125.

［2］王胜，李连侠，孙炯，等．多级连续消力池水跃的水力特性模型试验［J］.水利水电科技进展，2012，32（4）：23-28．

［3］周凯，牧振伟，周镇，等.底流消力池墩栅联合消能工水力特性数值模拟研究［J］.水资源与水工程学报，2023，34（2）：142-148，156.

［4］吴战营，牧振伟.消力池内悬栅辅助消能工优化试验［J］.水利水电科技进展，2014，34（1）：27-31.

［5］孙桂凯，杨爱萍，刘思怡，等.高达水库溢洪道消力池优化设计试验研究［J］.水电能源科学，2020，38（9）：101-103，59.

［6］梁朋林，金瑾，祁明洋，等.导流兼泄洪冲沙洞消力池体型优化及河床冲刷研究［J］.中国农村水利水电，2024（5）：53-60，69.

［7］曾贝佳.某工程溢洪道消力池体型研究［J］.四川水利，2020，41（4）：57-59.

［8］高兴辉.河湾水电站消力池T型墩体型优化数值模拟研究［J］.东北水利水电，2021（11）：45-48.

［9］翟梦恩，姚伟超，刘晓东.水库溢流坝段底流消能模型试验分析［J］.海河水利，2023（9）：104-107.

［10］溢洪道设计规范：SL 253—2018［S］.北京：中国水利水电出版社，2018.

［11］黄智敏，付波，陆汉柱，等.溢洪道弯道段流态改善试验研究和应用［J］.广东水利水电，2024（4）：9-13，24.

［12］孙德旭，牧振伟，李凡琦，等.弯段溢洪道导流墩联合糙条模型试验研究［J］.人民黄河，2021，43（1）：115-119.

［13］高海鹰，马金霞，李贺，等.水力学［M］.南京：东南大学出版社，2022.

［14］水工（常规）模型试验规程：SL 155—2012［S］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［15］钱圣，刘焕芳，林木松，等. T型墩消力池优化设计试验研究［J］.水利水电技术，2014，45（11）：37-40.

［16］邓燕. T型墩对消力池消能效果影响的模型试验与体型优化研究［J］.地下水，2021，43（4）：264-266.

［17］AYDOGDU M ， GUL E ， DURSUN O F. Experimentally Verified Numerical Investigation of the Sill Hydraulics for Abruptly Expanding Stilling Basin［J］. Arabian Journal for Science and Engineering，2023，48：4563-4581.

［18］ZHANG J ， ZHANG Q H ， WANG T T，et al. Experimental Study on the Effect of an Expanding Conjunction Between a Spilling Basin and the Downstream Channel on the Height After Jump［J］.Arabian Journal for Science amp; Engineering， 2017，42（9）：4069-4078.

［19］赵东阳，尹进步，王国杰，等.高水头单侧渐扩消力池水力特性数值模拟研究［J］.中国农村水利水电，2019（9）：195-199，206.

［20］杜振康，尹进步，朱光明，等.不同扩散角下单侧渐扩消力池水力特性研究［J］.水资源与水工程学报，2022，33（2）：144-151.

［21］刘增文，金瑾，严文博，等. T型墩消力池水力特性数值模拟及结构优化［J］.水电能源科学，2023，41（9）：103-106，84.

（责任编辑：李泽华）