池末尾坎自由出流的消力池布置研究

黃智敏,付 波,陳卓英（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510635）

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池末尾坎自由出流的消力池布置研究

黃智敏1,2,付 波1,2,陳卓英1,2
（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510635）

摘要:池末尾坎自由出流的攔河閘下游消力池流態(tài)較復(fù)雜,其水力特性和體型布置是工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行關(guān)心的問(wèn)題。通過(guò)水力模型試驗(yàn)研究,對(duì)尾坎自由出流的消力池池長(zhǎng)和消力池末端尾坎高度的關(guān)系進(jìn)行分析,提出消力池體型布置方法:首先在消力池水平段池底高程選定的基礎(chǔ)上,根據(jù)消力池進(jìn)口斷面弗勞德數(shù),初選池末尾坎高度;其次通過(guò)調(diào)整尾坎高度和計(jì)算尾坎頂水深,使兩者之和與躍后水深的比值在1.15～1.2之間,則消力池水平段池長(zhǎng)與躍長(zhǎng)的比值可減小至0.8～0.85。該方法可較合理地確定尾坎自由出流的消力池水力和體型參數(shù)。

關(guān)鍵詞:攔河閘;消力池;尾坎;自由出流;試驗(yàn)研究

攔河閘下游河道河床下切、水位降低之后,若其下游消力池經(jīng)修復(fù)和改造后仍可利用,可在修復(fù)和改造后的消力池下游修建二級(jí)消力池,采用分級(jí)消能以解決閘下游消能防沖的問(wèn)題。在實(shí)際工程運(yùn)行中,由于部分?jǐn)r河閘下游河道水位降低較為明顯,因此,在攔河閘各級(jí)洪水流量泄流條件下,其下游一級(jí)消力池（即經(jīng)修復(fù)和改造后的原攔河閘下游消力池）末端尾坎出流多為自由出流,池內(nèi)流態(tài)相對(duì)較復(fù)雜。文獻(xiàn)[1]對(duì)自由出流的消力池末端尾坎相對(duì)水深（T+H）/h2與池長(zhǎng)L的關(guān)系進(jìn)行了初步分析（圖1）。文獻(xiàn)[2]對(duì)水躍下游斷面的尾坎高度T進(jìn)行研究,提出了使水躍穩(wěn)定的相對(duì)坎高T/h1與躍前斷面弗勞德數(shù)Fr1的關(guān)系式。由于尾坎自由出流消力池的水流條件和體型較復(fù)雜,現(xiàn)階段相關(guān)的研究成果仍較少[3-10]。本文對(duì)尾坎自由出流的消力池水力特性和體型布置進(jìn)行水力模型試驗(yàn)和分析。

圖1 自由出流消力池水力和體型參數(shù)示意圖

1 消力池運(yùn)行流態(tài)和體型布置分析

通常,常規(guī)的攔河閘下游消力池體型布置的方法如下:根據(jù)閘上游水位Z、閘門開(kāi)度e、泄流單寬流量q等,選取消力池進(jìn)口斷面的流速系數(shù)φ,由有關(guān)的消力池計(jì)算公式[11-12],計(jì)算消力池進(jìn)口躍前水深h1、躍后水深h2、水躍長(zhǎng)度Lj、池深S等,消力池水平段池長(zhǎng)L可取為自由水躍長(zhǎng)度Lj的70％～80％,池深S、池下游水深t、池末端出口水面落差ΔZ之和（S+t+ΔZ）與h2之比約為1.05～1.1,以使消力池內(nèi)形成一定淹沒(méi)度的水躍,見(jiàn)圖2。

圖2 消力池水力和體型參數(shù)示意圖

分析圖1,為了使自由出流的消力池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍,應(yīng)滿足消力池末端尾坎前緣水深（T+H）≥h2和水平段池長(zhǎng)L≥Lj的要求。由于尾坎自由出流的消力池水力特性較復(fù)雜,池末尾坎的高度及位置等不同,會(huì)影響消力池的流態(tài)、水力參數(shù)等,給計(jì)算和分析帶來(lái)一定的難度,需借助水力模型試驗(yàn)對(duì)消力池水力特性和體型參數(shù)進(jìn)行研究。

2 水力模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

攔河閘下游消力池水力模型試驗(yàn)在50cm寬的玻璃水槽中進(jìn)行,為1∶50.8的正態(tài)模型。攔河閘閘室泄流凈寬B=23.2m,閘墩厚度為2.2m,取水平段池底高程為0.0m,閘室堰頂高程為1.5m,閘下游消力池凈寬B0=25.4m（B/B0=0.913）。模型試驗(yàn)的閘上游水位Z分別取7.5m、10.5m和14.0m,水平段池長(zhǎng)L分別取18m和23.5m,池末端尾坎高度T分別為0.75m、1.0m、1.5m、1.75m和2.0m,尾坎頂厚度b=3m,下游陡坡段坡度i=1∶4,見(jiàn)圖3。

試驗(yàn)系統(tǒng)包括抽水泵房、供水管道、調(diào)節(jié)閥、量水堰、調(diào)節(jié)尾門和回水渠道等,量測(cè)設(shè)備和儀器（量水堰和水位測(cè)針等）經(jīng)校正后使用,各試驗(yàn)值經(jīng)多次量測(cè)后,取其平均值。

圖3 攔河閘下游消力池布置示意圖（單位:m）

3 消力池試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 閘門局部開(kāi)啟運(yùn)行試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)方法和流態(tài)分析

保持消力池尾坎出流為自由出流,各級(jí)閘上游水位下攔河閘閘門局部開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)閘口出流均為自由泄流,閘孔泄流單寬流量q與閘門開(kāi)度e的關(guān)系見(jiàn)圖4。在不同的Z、L和T的組合下,觀測(cè)攔河閘下游消力池不出現(xiàn)急流狀遠(yuǎn)驅(qū)水躍而形成臨界穩(wěn)定水躍的e、q等參數(shù)（見(jiàn)表1、表2、圖4）。試驗(yàn)表明:①在相同Z的條件下,隨著T的增大,池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍的q相應(yīng)增大；在相同T的條件下,隨著Z的增大,池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍的q相應(yīng)減小。②在相同Z 和T的條件下,隨著水平段池長(zhǎng)L的增加,池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍的q相應(yīng)增大,但增大的幅度較小。③在（T+H）/h2＜1條件下,池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍的L/Lj＞1,即水平段池長(zhǎng)L大于水躍躍長(zhǎng)Lj；在（T+H）/h2≥1條件下,池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍的L/Lj≤1,此時(shí)池內(nèi)水躍為強(qiáng)迫水躍,池末尾坎位置對(duì)池內(nèi)水躍形態(tài)的影響較大。

3.1.2 T/h1～Fr1關(guān)系

將表1、表2中各試驗(yàn)組次的T/h1～Fr1關(guān)系繪于圖5,發(fā)現(xiàn)T/h1隨Fr1增大而增大,兩者近似呈線性關(guān)系。

表1 穩(wěn)定水躍的消力池水力和體型參數(shù)（池長(zhǎng)L=18m）

表2 穩(wěn)定水躍的消力池水力和體型參數(shù)（池長(zhǎng)L=23.5m）

圖4 閘門局部開(kāi)啟q～e關(guān)系

圖5 T/h1～Fr1關(guān)系

3.1.3 L/Lj～（T+H）/h2關(guān)系

選取消力池進(jìn)口收縮水深斷面流速系數(shù)φ=0.94～0.97、池末端尾坎泄流流量系數(shù)m0=0.33～0.4[2],由消力池和堰流有關(guān)計(jì)算公式[2,11],計(jì)算出各組次消力池進(jìn)口躍前水深h1、躍后水深h2、水躍長(zhǎng)度Lj、尾坎頂水深H等（表1、表2）,將L/Lj～（T+H）/h2的關(guān)系繪于圖6得:①相對(duì)池長(zhǎng)L/Lj隨淹沒(méi)度（T+H）/h2的增大而減?。虎诤雎詧D6中個(gè)別較離散的試驗(yàn)點(diǎn),當(dāng)（T+H）/h2=0.9～1時(shí),可取L/Lj=1～1.3；當(dāng)（T+H）/h2=1～1.2時(shí),可取L/Lj=0.8～1。

3.2 閘門全開(kāi)運(yùn)行試驗(yàn)

閘門全開(kāi)運(yùn)行的消力池作用水頭相對(duì)較小,消力池進(jìn)口斷面Fr1相應(yīng)減小,池內(nèi)形成臨界穩(wěn)定水躍的T/h1與Fr1的比值比閘門局部開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)?。ㄒ?jiàn)表3、表4、圖5）。

表3 穩(wěn)定水躍的消力池水力和體型參數(shù)（池長(zhǎng)L=18m）

表4 穩(wěn)定水躍的消力池水力和體型參數(shù)（池長(zhǎng)L=23.5m）

L/Lj～（T+H）/h2的關(guān)系與閘門局部開(kāi)啟運(yùn)行的相應(yīng)關(guān)系一致,隨著（T+H）/h2的增大,L/Lj相應(yīng)減小。當(dāng)尾坎高度T較小時(shí)（T=0.75m、1.0m）,出現(xiàn)了（T+H）/h2＞1、L/Lj＞1的情況（見(jiàn)表3、表4、圖6）。分析其原因?yàn)?此時(shí)尾坎位于水躍的下游（L＞Lj）,尾坎位置對(duì)池內(nèi)流態(tài)影響較小[2],在確保消力池內(nèi)水躍為穩(wěn)定水躍的條件下,可將尾坎往池上游移動(dòng)至水躍范圍內(nèi)（即L/Lj≤1）,使池內(nèi)水躍形成強(qiáng)迫水躍；當(dāng)（T+H）/h2值較大時(shí),L/Lj值可相應(yīng)取小些。如表3、表4的T=0.75m組次試驗(yàn)中,消力池（T+H）/h2=1.08,若將其L/Lj值取0.92,池內(nèi)仍形成臨界穩(wěn)定水躍；T=1.0m組次的試驗(yàn)情況也類似。

圖6 L/Lj～（T+H）/h2關(guān)系

4 消力池水力和體型參數(shù)選取分析

4.1 消力池末端尾坎高度

通常,消力池水平段池底高程是由工程布置、地形和地質(zhì)條件、工程施工和投資情況等確定的,在設(shè)計(jì)泄洪流量條件下,可先設(shè)定池末尾坎的高度,通過(guò)反復(fù)試算得出形成一定淹沒(méi)度水躍的尾坎高度,然后再選取合理的池長(zhǎng)[13]。

分析可知,在給定池底高程的條件下,形成穩(wěn)定水躍的池末尾坎高度T與其池進(jìn)口的h1和Fr1等有關(guān)。由本文試驗(yàn)資料（圖5,Fr1＞14的試驗(yàn)點(diǎn)較少,故舍去）,可得出尾坎自由出流的消力池內(nèi)形成臨界穩(wěn)定水躍的T/h1～Fr1關(guān)系為

計(jì)算時(shí)可由Fr1值按線性插值計(jì)算出各式的系數(shù)C （C=（T/h1）/Fr1）,然后再計(jì)算相應(yīng)的T/h1。

4.2 消力池水平段池長(zhǎng)

由于池末尾坎的工程量和投資額比水平段池長(zhǎng)小得多,因此,在不影響攔河閘泄流能力的前提下,應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置較高的尾坎,即適當(dāng)增大（T+H）/h2,以盡量減小水平段池長(zhǎng)L。由本文試驗(yàn)成果可知,當(dāng)（T+H）/h2=1.15～1.2時(shí),其相對(duì)池長(zhǎng)L/Lj=0.8～0.85。

綜上所述,在工程計(jì)算中,根據(jù)設(shè)計(jì)洪水條件的Fr1值,可由式（1）初步選取消力池末端尾坎高度T,然后計(jì)算出尾坎頂水深H,并適當(dāng)調(diào)整尾坎高度T,使尾坎淹沒(méi)度（T+H）/h2=1.15～1.2,其相對(duì)池長(zhǎng)L/Lj相應(yīng)可取0.8～0.85。

5 算 例

烏石攔河閘樞紐設(shè)置15孔泄洪閘孔,閘室堰頂高程為13.0m,單孔閘凈寬為7.6m,總凈寬為114m；其下游消力池段總寬度為131.6m。近年來(lái),由于攔河閘下游河床下切明顯、水位急速降低,池末端尾坎出流均為自由出流,嚴(yán)重影響工程安全運(yùn)行。除險(xiǎn)改造工程設(shè)計(jì)擬在現(xiàn)狀消力池改造基礎(chǔ)上,在其下游修建二級(jí)消力池。設(shè)計(jì)初擬的一級(jí)消力池水平段池底高程為10.6m,池長(zhǎng)L=20m,尾坎高度T=1.75m。

在50年一遇洪水流量（P=2％,Q=3500m3/s）條件下運(yùn)行時(shí),閘下游一級(jí)消力池內(nèi)出現(xiàn)急流狀遠(yuǎn)驅(qū)水躍,急流撞擊池末尾坎后躍起并跌向下游,流態(tài)極差。模型試驗(yàn)在消力池內(nèi)設(shè)置兩排消力墩（墩高1.8m,墩寬與墩間距均為1.4m,消力墩呈梅花狀排列）之后,消除了池內(nèi)遠(yuǎn)驅(qū)水躍,池內(nèi)形成穩(wěn)定水躍[14-15]。采用本文方法對(duì)烏石攔河閘下游一級(jí)消力池進(jìn)行布置:

a.由閘上游水位Z=19.45m、閘孔泄流單寬流量q=30.7m3/（s·m）和消力池進(jìn)口斷面流速系數(shù)φ=0.98,計(jì)算得出消力池h1=2.66m,Fr1=2.26,h2=7.27m,Lj=31.8m；由式（1）得T/h1=0.737,T=1.96m；以尾坎泄流單寬流量q0=26.6m3/（s·m）、流量系數(shù)m0=0.42,計(jì)算得H=5.89m。從而得到（T+H）/h2=1.08,由圖6查L(zhǎng)/Lj=0.92,計(jì)算得L=29.26m。由此可知,設(shè)計(jì)初擬的一級(jí)消力池（T=1.75m、L=20m）無(wú)法形成穩(wěn)定的水躍。

b.為了進(jìn)一步縮短池長(zhǎng),取池末尾坎高度T=2.6m,則由H=5.89m、（T+H）/h2=1.168,查L(zhǎng)/Lj=0.832,計(jì)算得L=26.46m。

水力模型試驗(yàn)表明,在Q=3500m3/s泄流運(yùn)行條件下,T=1.96m、L=29.26m和T=2.6m、L=26.46m兩種布置的消力池內(nèi)均能形成穩(wěn)定的水躍,顯然后者的效益較高,且均可在池內(nèi)設(shè)置消力墩等輔助消能工,其池長(zhǎng)可再縮短25％～30％。

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)水力模型試驗(yàn),對(duì)尾坎自由出流的消力池水力特性和體型布置進(jìn)行研究,提出了其體型布置的初步方法:①在消力池水平段池底高程選定的基礎(chǔ)上,計(jì)算出消力池的水力參數(shù)h1、Fr1、h2和Lj等；然后根據(jù)Fr1值,初選池末尾坎高度T。②通過(guò)調(diào)整尾坎高度T和計(jì)算其坎頂水深H,使T+H與躍后水深h2的比值（T+H）/h2=1.15～1.2,則消力池水平段池長(zhǎng)L與躍長(zhǎng)Lj的比值L/Lj可減小至0.8～0.85。

采用本文方法可較合理地確定尾坎自由出流的消力池水力和體型參數(shù),可供類似工程參考。本文試驗(yàn)中消力池水平段池長(zhǎng)分別取18m和23.5m,池底作用水頭為7.5～14m,對(duì)不同水平段池長(zhǎng)（及不同尾坎高度）和作用水頭的自由出流消力池水力特性尚需進(jìn)一步深入研究。

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中圖分類號(hào):TV653

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647（2016）03- 0068- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.014

基金項(xiàng)目:廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2012-04）

作者簡(jiǎn)介:黃智敏（1957—）,男,教授級(jí)高級(jí)工程師,碩士,主要從事水工水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:hzm3011@163.com

收稿日期:（2015 06- 13 編輯:駱超）

Study on layout of stilling basin with free discharge at end sill of basin

HUANG Zhimin1,2, FU Bo1,2, CHEN Zhuoying1,2（1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,guangzhou 510635, China；2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics,guangzhou 510635, China）

Abstract:The flow patterns of a stilling basin with free discharge at the end sill of the basin downstream of a sluice are complex.Thus, the hydraulic characteristics and layout of the basin are significant to the engineering design and operation.Based on a hydraulicmodel test, the relationship between the stilling basin length and the end sill height was analyzed, and the layoutmethod of the stilling basin is put forward: First, according to the Froude number in the inlet section of the stilling basin, the height of the end sill is preliminarily selected on the basis of the selected bottom elevation of the horizontal segment.Second, through adjustment of the end sill height and calculation of the water depth at the top of the end sill, the ratio of the sum of the two variablesmentioned above to the water depth after the hydraulic jump is controlled within a range of 1.15 to 1.2, and then the ratio of the length of the horizontal segment of the stilling basin to the length of hydraulic jump can be reduced to within the range of 0.8 to 0.85.Thismethod can reasonably determine the hydraulic and shape parameters of the stilling basin with free discharge at the end sill.

Key words:sluice；stilling basin；end sill；free discharge；test study