雙淺水墊消力池模型試驗研究

蔣勝銀

（四川大學水力學及山區河流開發保護國家重點實驗室 四川 成都 610065）

1 消能工研究的現狀與進展

在水利水電工程中，泄水建筑物是否能安全經濟地消耗高速水流所攜帶的大量能率關系到水庫大壩的安全和能否充分發揮工程的效益。對消能工的選擇主要要根據具體的建筑物樞紐布置形式、工程地質、水文以及施工運行條件來確定[1]，應在保證安全有效的前提下，盡可能地選擇結構簡單、工程量小、施工方便、成本低的消能方式。目前國內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。

隨著對消能機理的認識深入，許多新型的消能工已經開始應用于各個工程實踐中[2]。通常把普遍應用的新型消能工又分為五個類型，即水墊塘式、大差動、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點，最早由廖華勝[4]等提出了水墊消力池的概念。常規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底部形成的水墊作為“柔性底板”，對入池水流施加相反的柔性作用力，達到降低臨底水力指標的目的。本文設計雙淺水墊消力池模型進行試驗，目的在于對雙淺水墊消力池在流態、流速和壓強上進行多方位分析。

2 模型簡介

本次模型試驗按照佛汝德數（Fr）相似準則進行，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。

本次試驗的控制斷面為消力池進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，量水堰內水流平順，能夠保證測量的精度。壓強測量則采用測壓管和脈動壓強傳感器。流速測量采用畢托管。

3 試驗結果分析

3.1 體型

模型試驗中的消力池隔坎為平臺式，體型圖見圖1。

3.2 流態

消力池各段水流流態在百年一遇洪水和20年一遇洪水兩種工況下，明顯可見雙水躍的發生，池內水流紊動強烈。進口斜坡段底板及側壁時有脫壁現象，池中隔坎迎水面為主流沖擊區，經隔坎反射后水流在前池內劇烈旋滾，底部有一定厚度水墊；經隔坎挑射后主流遠離底板，在后池內形成較厚的低流速水墊，坎后局部區域有小回流；消力池出口處水面有一定跌落，但不嚴重。

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各典型部位流速試驗結果?？梢钥闯?，各斷面垂向流速分布不均勻，臨底流速較小，中部較大，表面稍小。百年一遇洪水工況下，消力池進口、漸變段后16m、最后一個平臺起點下游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律與百年一遇工況基本一致。平臺隔坎前及前池內水躍消能較充分，水流經過平臺隔坎后，流速衰減迅速。

表1 百年一遇洪水工況各部位流速試驗結果

表2 20年一遇洪水工況各部位流速試驗結果

3.4 壓強

對典型部位的壓強進行了詳細的測量，時均壓強測量采用測壓管方法。該方案下壓強試驗一共布置了131個典型測點，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 時均壓強

試驗結果表明：底板壓強沿程變化明顯，橫向分布較為均勻；消力池斜坡進口附近底板出現較大的負壓，斜坡末端壓強已為正值，其余部位基本為正壓。百年一遇洪水工況下壓強大于20年一遇洪水工況，幾個跌坎垂直面承受的靜水壓強均較小，幾個平臺段及隔坎迎水面為大壓強區，最大壓強發生在平臺隔坎段起點附近，百年一遇洪水工況下約34.69m水柱。隔坎面上壓強沿程衰減，平臺起點處壓強較小，在百年一遇工況下實測負壓在（-3.8m～2.2m水柱）之間，其后壓強沿程增加，最大約13.8m水柱；差動尾坎垂直迎水面壓強較大，兩個工況下分別在在 15.40m～21.02m水柱和11.72m～18.94m水柱之間；護坦段承受壓強較小，沿程略有增加，最大在10m左右。

3.4.2 脈動壓強

為了了解底板及側墻脈動壓強的大小及頻率特性，試驗實測了底板及側墻的脈動壓強。試驗結果表明：消力池側墻的脈動壓強均方根值普遍較小，但最大值較大，約為5.29m水柱，而消力池底板的脈動壓強均方根值普遍較大，最大值為10.58m水柱，出現在樁號為1+1473m。100年一遇時的最大值為10.53m水柱，出現在同一測點。

4 結論

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

（2）雙淺水墊消力池壓力特性良好，消力池內部各部位壓強均為正壓。其側墻的脈動壓力均方根值較小，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，消力池內消能率分別約為42%和56%，說明雙淺水墊消力池在低Fr數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.消力戽在低佛氏數水流中的應用[J].紅水河，2002年第4期

[2[水利部國際合作與科技司.當代水利科技前沿[M].北京∶中國水利水電出版社，2006

[3]李上游，韋明翰.淺談我國新型消能工的研究和應用現狀[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工程水工模型試驗研究報告[R].水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，2004年8月