跌坎底流消能工在高壩泄洪消能中的實(shí)驗(yàn)研究

李繼聰，王麗杰

（1.河北省水利工程局，石家莊050021；2.河海大學(xué)水電學(xué)院，南京210098）

目前，水利工程中高水頭、大單寬流量工程的消能方式一般采用挑流消能，但是挑流泄洪消能時(shí)產(chǎn)生的霧化等環(huán)境問題較為嚴(yán)重。底流消能以其泄洪霧化影響小、入池流態(tài)穩(wěn)定、效能率高等優(yōu)點(diǎn)，常常在中低水頭工程中被采用。但對于高水頭、大單寬流量的水利工程，底流消能消力池底板臨底流速較大、抗沖磨保護(hù)難度大［1］，因此在工程應(yīng)用中受限。

跌坎型底流消能工是1種能適應(yīng)高水頭、大流量的新型消能工，已成為近年來國內(nèi)外水利工作者主要的研究課題之一。它利用水流流出跌坎后在消力池內(nèi)形成的旋滾和強(qiáng)剪切紊動(dòng)進(jìn)行消能，相對于常規(guī)底流消能工能有效降低消力池臨底流速等水力學(xué)參數(shù)，有較廣的應(yīng)用前景。但目前國內(nèi)缺乏對底流消能的跌坎型消能工水力特性的研究，特別是消力池中特征流速及分布等［2］。本文結(jié)合某大型水電站溢流壩消力池型式為研究對象，通過系列模型試驗(yàn)進(jìn)行對比研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，將跌坎式底流消能工應(yīng)用于高水頭、大流量工程是合理可行的。

1 研究方法及實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)研究基于大比尺物理模型，采取表、中雙層泄水孔斷面模型，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型幾何比尺為1∶60，其中表孔取一個(gè)整孔和兩個(gè)半孔，中孔對應(yīng)取兩個(gè)整孔。試驗(yàn)在玻璃水槽中進(jìn)行，水槽寬80cm，相當(dāng)于原型48m。模型模擬范圍：溢流壩、消力池、尾坎、海墁、明渠部分，全長30m，上游水尺設(shè)在樁號0+15附近，下游水尺設(shè)在樁號0+1200附近。

該水電站在可行性研究階段針對其消能工的選擇進(jìn)行了大量的水工模型試驗(yàn)，主要有3類，即經(jīng)典消力池、寬尾墩+消力池聯(lián)合消能工、跌坎型底流消力池，見表1。

表1 試驗(yàn)方案對比

2 試驗(yàn)結(jié)果對比

2.1 流速

表孔中心線沿水流方向布置流速測點(diǎn)，通過模型試驗(yàn)觀測，獲得各方案下流速值，見表2、圖1。

表2 各方案最大臨底流速對比

圖1 各方案臨底流速對比

成果表明，在校核工況（表中聯(lián)合敞泄總流量57030m3/s，H上=248.37m，H下=164.73m）條件下，方案1表孔入池底部流速為40m/s，尾坎前流速分布基本上是底部最大。樁號0+137.4斷面底部最大流速為41.98m/s，樁號0+264斷面底部最大流速為15.78m/s；樁號0+276斷面底部最大流速為14.17m/s，消力池內(nèi)入池流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20m/s，將嚴(yán)重危及底板的安全，需進(jìn)一步優(yōu)化。方案2加寬尾墩后由于形成三元溢流水舌，水舌出閘室后，各孔水流形成各自獨(dú)立的窄而高的收縮射流，水舌增加了水與空氣的接觸面，使消能效果增加，流速明顯減小，最大流速為8.90m/s，消力池內(nèi)底部流速均較小，且呈表大底小分布。方案3增加跌坎后最大垂線流速為22.91m/s，坎前斷面最大流速為2.24m/s，坎后斷面底部最大流速為2.14m/s，其他斷面的垂線平均流速均在6～9m/s。整體垂線流速均呈表大底小分布，這是由于在消力池中保持一定的水體，利用與下游消力池底板具有一定高差的射流進(jìn)入消能水體的中間，使得下泄水流的主流在消力池水體中部流動(dòng)、擴(kuò)散、消能。

2.2 水流流態(tài)

在校核工況（表中聯(lián)合敞泄總流量57030m3/s，H上=248.37m，H下=164.73m）條件下，方案1消力池內(nèi)水躍躍首位于樁號0+174～0+184，為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，躍尾出消力池。所需的消力池池長較長，中孔挑流入水點(diǎn)位于樁號0+192，水舌外緣最高點(diǎn)位于樁號0+136，高程159m，水舌厚21.6m，寬24m。由于相鄰兩表孔水流在閘墩尾處擴(kuò)散交匯，在樁號0+132處產(chǎn)生強(qiáng)烈的水翅。尾坎后有二次水躍產(chǎn)生。方案2增加寬尾墩后，由于閘墩對水流的束窄作用使閘上水流由壩面薄層二元水流變?yōu)槿?，并產(chǎn)生水翅。由過堰二維水流在寬尾墩后沖擊波交匯點(diǎn)處形成水翅，水翅起點(diǎn)樁號0+48附近，水翅最高點(diǎn)位于0+60，水翅落點(diǎn)在樁號0+125～0+132之間。水翅大部分時(shí)間在兩側(cè)導(dǎo)墻中間，水冠頂部偶爾擊打右側(cè)導(dǎo)墻頂部，水翅間歇左右擺動(dòng)，擊打兩側(cè)導(dǎo)墻頂部，水花四處飛濺。消力池內(nèi)水躍躍首位于樁號0+84～0+93，為淹沒水躍，躍尾未出消力池。中孔挑射水流落入消力池內(nèi)的水躍區(qū)，水流摻氣，劇烈翻滾，水面上下波動(dòng)。方案3將消力池底板向下開挖形成跌坎后，消力池內(nèi)水躍躍首位于樁號0+90～0+96，躍尾位于0+252～0+264之間，為稍淹沒水躍，躍尾未出消力池，表孔后跌坎下形成順時(shí)針橫軸漩渦，流態(tài)較為復(fù)雜，消能效果較好。中孔挑流外緣入水點(diǎn)位于0+162～0+168，落點(diǎn)附近水面翻滾劇烈，落點(diǎn)后縱向擴(kuò)散，兩側(cè)表層水流為回流。消力池前部水面波動(dòng)較大，后部較平穩(wěn)，樁號0+260后水流較為平順。

2.3 時(shí)均壓力

下泄各流量工況下，在中孔及消力池沿程布置壓力測點(diǎn)，量測了中孔及消力池沿程，表孔壩面及消力池沿程時(shí)均壓力值。本文中由于篇幅有限，僅僅給出了表孔及消力池沿程的壓力值。實(shí)驗(yàn)成果表明：方案1在校核工況表中聯(lián)泄57030m3/s時(shí)，表孔壩面WES曲線段6#，8#，12#測點(diǎn)處出現(xiàn)負(fù)壓，最大值出現(xiàn)在12#測點(diǎn)為－2.41×9.81kPa。壩面直線19#測點(diǎn)處也出現(xiàn)負(fù)壓為－0.30×9.81kPa，表孔尾部處壓力增大。方案2及方案3在校核工況表中聯(lián)泄57030m3/s時(shí)，表孔沿程的時(shí)均壓力分布規(guī)律類似于方案1，僅僅在表孔壩面WES曲線段出現(xiàn)負(fù)壓，這是正?，F(xiàn)象，而且還可以增大泄流能力。各個(gè)方案下消力池內(nèi)均無負(fù)壓出現(xiàn)，且分布比較平穩(wěn)變化較緩，無局部壓力峰值。

各方案下消力池前部均有壓力突然升高的現(xiàn)象，但是有跌坎時(shí)壓力增大的程度較小。消力池內(nèi)部壓力分布規(guī)律都較好，無明顯的壓力梯度。整體來看，3種方案下，表孔壩面及消力池沿程時(shí)均壓力分布規(guī)律較好，WES曲線段出現(xiàn)小負(fù)壓，為正?，F(xiàn)象，隨后的直線段也出現(xiàn)負(fù)壓，對泄水建筑物不利，必要時(shí)需考慮設(shè)置摻氣設(shè)施。

2.4 脈動(dòng)壓力

本次試驗(yàn)針對方案3 在校核工況表中聯(lián)泄57030m3/s時(shí)，采用脈動(dòng)壓力傳感器測量了消力池底板的脈動(dòng)壓力值，脈動(dòng)壓力均方根最大值為8.63×9.81kPa（2#表孔中心線），分布規(guī)律符合要求，并且消力池底板上水流的紊動(dòng)強(qiáng)度沿流程逐漸衰減，詳見圖2。躍首躍尾主頻較低，旋滾區(qū)主頻較高約13.62Hz。

圖2 方案3表孔中心線脈動(dòng)壓力值

3 結(jié)果分析

各方案的表孔壩面的時(shí)均壓力分布規(guī)律都符合要求，除壩面WES曲線段小部分外均無負(fù)壓出現(xiàn)，這部分負(fù)壓的出現(xiàn)屬正?，F(xiàn)象，還可以增大該溢流壩的泄流能力。各方案整個(gè)消力池內(nèi)的時(shí)均壓力變化平緩，無局部峰值，壓力沿水流方向逐漸增加，即隨樁號沿程呈前低后高的規(guī)律。當(dāng)表孔出口加寬尾墩時(shí)，臨底流速大大減小，但寬尾墩后形成的水翅會(huì)不同程度地?fù)舸騼蓚?cè)側(cè)墻，危及側(cè)墻安全，此現(xiàn)象在這一工程中無法從根本上消除。若取消寬尾墩，則消力池內(nèi)的消能效果較差，且其入池水流流速超過40m3/s，造成對消力池底板的沖刷和破壞，將嚴(yán)重危及消力池底板的安全。方案3借鑒了前蘇聯(lián)薩揚(yáng)舒申斯克水電站消力池的底板修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，在消力池進(jìn)口處將消力池底板向下開挖形成跌坎，構(gòu)成跌坎消力池后，消力池內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，霧化影響小，臨底流速衰減較快也得到有效的改善，入池水體相互摻混，消能效果較佳。另外，本次模型試驗(yàn)還測量了方案3在校核工況表中聯(lián)泄57030m3/s時(shí)消力池底板的脈動(dòng)壓力，脈動(dòng)壓力均方根最大值為8.63×9.81kPa（2#表孔中心線），且沿流程逐漸減小。綜合比較后，最終推薦采用方案3。

4 消能機(jī)理

跌坎式底流消能工是一種新型的消能工，目前這種消能工已在國內(nèi)外很多工程中得到應(yīng)用［3］。在跌坎式底流消能的消力池中，不像常規(guī)的底流消能工那樣，水流出坎以后，主流是以附壁式射流運(yùn)動(dòng)，水體在池中受到底板的約束而不能向四周擴(kuò)散，主流所受到的剪切面積小，形成淹沒射流，主流向四周擴(kuò)散。流體射入到消力池中靜止水體中與周圍靜止水體之間發(fā)生強(qiáng)烈的剪切作用，形成了速度不連續(xù)間斷面，流速間斷面是不穩(wěn)定的，必然會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，并發(fā)展形成紊動(dòng)旋渦，從而主流在射流四周形成強(qiáng)烈的紊動(dòng)漩渦，消能效果很好，消力池內(nèi)水面比較平穩(wěn)，出池水面波動(dòng)?。?］。由于跌坎的存在，相應(yīng)增加了有效水體，進(jìn)而使各項(xiàng)水力學(xué)參數(shù)得到了明顯降低。

5 結(jié)語

跌坎式底流消能方式既不會(huì)產(chǎn)生大的霧化，又可以消除下泄水流的大部分能量，消能效果好，既不會(huì)使消力池底板脈動(dòng)壓力大、臨底流速大，以免消力池底板不穩(wěn)定和底板磨損，又不會(huì)產(chǎn)生面流，以免下游水流波動(dòng)大，影響通航和加劇對下游兩岸的沖刷，可以應(yīng)用于高水頭、大流量工程中，在水電工程中具有很大的應(yīng)用前景。

［1］孫雙科，柳海濤，夏慶福，等.跌坎型底流消力池的水力特性與優(yōu)化研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（10）.

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［3］長江科學(xué)院.密松水電站表中孔斷面模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.2010.

［4］長江科學(xué)院.密松水電站1：60斷面初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2010.

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