雙淺水墊消力池模型試驗(yàn)研究

蔣勝銀

（四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610065）

1 消能工研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展

在水利水電工程中，泄水建筑物是否能安全經(jīng)濟(jì)地消耗高速水流所攜帶的大量能率關(guān)系到水庫(kù)大壩的安全和能否充分發(fā)揮工程的效益。對(duì)消能工的選擇主要要根據(jù)具體的建筑物樞紐布置形式、工程地質(zhì)、水文以及施工運(yùn)行條件來(lái)確定[1]，應(yīng)在保證安全有效的前提下，盡可能地選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程量小、施工方便、成本低的消能方式。目前國(guó)內(nèi)外通常使用的消能形式主要有：底流消能、挑流消能、面流消能和戽流消能四種方式。

隨著對(duì)消能機(jī)理的認(rèn)識(shí)深入，許多新型的消能工已經(jīng)開始應(yīng)用于各個(gè)工程實(shí)踐中[2]。通常把普遍應(yīng)用的新型消能工又分為五個(gè)類型，即水墊塘式、大差動(dòng)、收縮式、異型坎和其他特種消能工[3]。

借鑒了水墊塘消能工的水墊可以吸收入射水流能量，減小消力池底部流速的優(yōu)點(diǎn)，最早由廖華勝[4]等提出了水墊消力池的概念。常規(guī)消力池臨底流速非常大，淺水墊消力池與其不同的是它可以利用池內(nèi)底部形成的水墊作為“柔性底板”，對(duì)入池水流施加相反的柔性作用力，達(dá)到降低臨底水力指標(biāo)的目的。本文設(shè)計(jì)雙淺水墊消力池模型進(jìn)行試驗(yàn)，目的在于對(duì)雙淺水墊消力池在流態(tài)、流速和壓強(qiáng)上進(jìn)行多方位分析。

2 模型簡(jiǎn)介

本次模型試驗(yàn)按照佛汝德數(shù)（Fr）相似準(zhǔn)則進(jìn)行，模擬范圍為：消力池以上洞身段80m，消力池段90m，及消力池出口以下80m，百年一遇工況下流量為3393.4m3/s，二十年一遇工況下流量為2500.2m3/s。模型幾何比尺 1：40。

本次試驗(yàn)的控制斷面為消力池進(jìn)口斷面和消力池出口下游80m處斷面。模型流量由上游量水堰控制，量水堰內(nèi)水流平順，能夠保證測(cè)量的精度。壓強(qiáng)測(cè)量則采用測(cè)壓管和脈動(dòng)壓強(qiáng)傳感器。流速測(cè)量采用畢托管。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 體型

模型試驗(yàn)中的消力池隔坎為平臺(tái)式，體型圖見圖1。

3.2 流態(tài)

消力池各段水流流態(tài)在百年一遇洪水和20年一遇洪水兩種工況下，明顯可見雙水躍的發(fā)生，池內(nèi)水流紊動(dòng)強(qiáng)烈。進(jìn)口斜坡段底板及側(cè)壁時(shí)有脫壁現(xiàn)象，池中隔坎迎水面為主流沖擊區(qū)，經(jīng)隔坎反射后水流在前池內(nèi)劇烈旋滾，底部有一定厚度水墊；經(jīng)隔坎挑射后主流遠(yuǎn)離底板，在后池內(nèi)形成較厚的低流速水墊，坎后局部區(qū)域有小回流；消力池出口處水面有一定跌落，但不嚴(yán)重。

3.3 流速

表1和表2分別為百年一遇洪水與20年一遇洪水工況下消力池內(nèi)各典型部位流速試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯鲾嗝娲瓜蛄魉俜植疾痪鶆?，臨底流速較小，中部較大，表面稍小。百年一遇洪水工況下，消力池進(jìn)口、漸變段后16m、最后一個(gè)平臺(tái)起點(diǎn)下游4m及消力池出口 各 斷 面 流 速 分 別 為 21.7m/s、12.1m/s、8.2m/s、7.4m/s。20年一遇洪水工況流速大小及衰減規(guī)律與百年一遇工況基本一致。平臺(tái)隔坎前及前池內(nèi)水躍消能較充分，水流經(jīng)過(guò)平臺(tái)隔坎后，流速衰減迅速。

表1 百年一遇洪水工況各部位流速試驗(yàn)結(jié)果

表2 20年一遇洪水工況各部位流速試驗(yàn)結(jié)果

3.4 壓強(qiáng)

對(duì)典型部位的壓強(qiáng)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，時(shí)均壓強(qiáng)測(cè)量采用測(cè)壓管方法。該方案下壓強(qiáng)試驗(yàn)一共布置了131個(gè)典型測(cè)點(diǎn)，縱向分為兩排，一排沿洞軸線方向，一排沿軸線與右邊壁中心線方向。

3.4.1 時(shí)均壓強(qiáng)

試驗(yàn)結(jié)果表明：底板壓強(qiáng)沿程變化明顯，橫向分布較為均勻；消力池斜坡進(jìn)口附近底板出現(xiàn)較大的負(fù)壓，斜坡末端壓強(qiáng)已為正值，其余部位基本為正壓。百年一遇洪水工況下壓強(qiáng)大于20年一遇洪水工況，幾個(gè)跌坎垂直面承受的靜水壓強(qiáng)均較小，幾個(gè)平臺(tái)段及隔坎迎水面為大壓強(qiáng)區(qū)，最大壓強(qiáng)發(fā)生在平臺(tái)隔坎段起點(diǎn)附近，百年一遇洪水工況下約34.69m水柱。隔坎面上壓強(qiáng)沿程衰減，平臺(tái)起點(diǎn)處壓強(qiáng)較小，在百年一遇工況下實(shí)測(cè)負(fù)壓在（-3.8m～2.2m水柱）之間，其后壓強(qiáng)沿程增加，最大約13.8m水柱；差動(dòng)尾坎垂直迎水面壓強(qiáng)較大，兩個(gè)工況下分別在在 15.40m～21.02m水柱和11.72m～18.94m水柱之間；護(hù)坦段承受壓強(qiáng)較小，沿程略有增加，最大在10m左右。

3.4.2 脈動(dòng)壓強(qiáng)

為了了解底板及側(cè)墻脈動(dòng)壓強(qiáng)的大小及頻率特性，試驗(yàn)實(shí)測(cè)了底板及側(cè)墻的脈動(dòng)壓強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：消力池側(cè)墻的脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值普遍較小，但最大值較大，約為5.29m水柱，而消力池底板的脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根值普遍較大，最大值為10.58m水柱，出現(xiàn)在樁號(hào)為1+1473m。100年一遇時(shí)的最大值為10.53m水柱，出現(xiàn)在同一測(cè)點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）雙淺水墊消力池的池內(nèi)流態(tài)良好，能較好地形成前后兩個(gè)水躍，使得水流在池內(nèi)紊動(dòng)劇烈，消能充分。出池水流水面跌落較小，護(hù)坦段水流平順。

（2）雙淺水墊消力池壓力特性良好，消力池內(nèi)部各部位壓強(qiáng)均為正壓。其側(cè)墻的脈動(dòng)壓力均方根值較小，最大值約為4.69m水柱。

（3）雙淺水墊消力池消能效率較高。100年一遇洪水和20年一遇洪水工況下，消力池內(nèi)消能率分別約為42%和56%，說(shuō)明雙淺水墊消力池在低Fr數(shù)的消能條件下可以顯著提高消能率。陜西水利

[1]孫桂凱，徐偉章.消力戽在低佛氏數(shù)水流中的應(yīng)用[J].紅水河，2002年第4期

[2[水利部國(guó)際合作與科技司.當(dāng)代水利科技前沿[M].北京∶中國(guó)水利水電出版社，2006

[3]李上游，韋明翰.淺談我國(guó)新型消能工的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].廣西水力水電，1996(2)∶22～25

[4]廖華勝.云南省楚雄州青山嘴水庫(kù)工程水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2004年8月