消力戽在低水頭大流 泄水建筑物中的應用

蘇道峰 穆 亮 劉金巖

（1.吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林長春 130021；2.山東際高建筑設計院有限公司 山東威海 264200）

1 前言

采用水躍消能時消能效率是佛汝德數 Fr的函數，研究表明，當Fr為3時消能效率僅為25%，且 Fr越低消能效率越低，當 Fr為 1.7時消能效率已不足 5%。此時若采用底流消能方式，不但消能效率低，而且消力池往往需要修建很長，而為了減小單寬流量而增大溢流前緣時，消力池又需要修建的很寬，造成泄水建筑物工程量大，所占投資比重大，直接影響工程的經濟技術性。

消力戽是近年來研究成功的一種新型的泄水建筑物，并在國內外眾多中小工程中廣泛應用，取得了較好的效益。消力戽是利用一個較大的反弧半徑和挑角所形成的戽斗，在一定尾水深度作用下，使從溢流壩下泄的水流在戽斗內產生激烈的表面旋滾，并使出戽的水流在底部及尾水中均產生旋滾，以達到消減能量減輕水流對河床沖刷的目的。當下泄單寬流量過大時，從戽體最低斷面開始，設置一段水平池底，加大戽斗內旋滾體積，增加效能效果。消力戽適用于低水頭大流量低佛汝德數深尾水并且下游河床具有一定抗沖能力的條件，具有消能效果較好，體積小，工程量省，施工方便的特點。

2 設計方法

2.1 戽體體型及尺寸

現階段對戽流流態的研究還不完全，采用戽式消能工時依據大多是半理論半經驗公式為主，輔以模型試驗及數值模擬驗證。消力戽的設計即確定其體型及尺寸：挑角θ，反弧半徑R，護唇高度a，護底高程Z0以及水平段L等（見圖1），使選定的參數在其運行區間均為穩定戽流流態。

（1）挑角θ

目前興建的工程，大多數采用挑角θ=45°，也有少數采用30°～40°。挑角θ過小，戽內表面旋滾易“沖出”戽外，出現潛底戽流；挑角θ過大，將造成較高的涌浪，加大對河岸的沖刷并且造成較深的沖坑，因此挑角θ的選擇，應根據具體情況而定。

（2）反弧半徑R

（3）戽唇高度a

為防止泥沙入戽，戽唇應高于河床，戽唇高度一般取約尾水深度的 1/6，高度不夠時可用切線延長加高。

（4）戽底高程Z0

戽底高程設置標準是在各級下游水位條件下均產生穩定戽流。戽底太高易發生挑流流態，戽底太低挖方量增大，不經濟。因此戽底高程的確定將流態與工程量大小統一考慮。

2.2 穩定戽流形成的條件

產生臨界戽流時，消力戽下游產生類似水躍的“戽躍”的共軛水深為 h2k，為使消力戽在運行區間均產生穩定戽流，需要確定臨界戽流到穩定戽流產生的界限水深 ht1，以及穩定戽流到淹沒戽流產生的界限水深ht2，這里ht1=σ1h2k，ht2=σ2h2k，σ1稱為第一淹沒系數，σ2稱為第二淹沒系數。當下游實際水深ht滿足ht1≦ht≦ht2時，戽內流態為穩定戽流。

2.3 消力戽設計義程

設計消力戽時，先參照工程實例和戽流流態的要求，初步設計戽體體型及尺寸，初選挑角θ，反弧半徑R，護唇高度a，護底高程Z0以及水平段L等，然后對幾個特征流量，分別計算出h2k，進而求得ht1和ht2，而后判斷消力戽下游實際水深ht與ht1和ht2的關系。若在各級流量下，滿足ht1≦ht≦ht2，則初選的戽體體型及尺寸符合要求，若不滿足則需重新選擇戽體參數直到符合要求為止。最后在滿足條件的不同的戽體體型及尺寸中選出工程量最優的方案作為選定方案即可。

2.4 消力戽計算方法

產生臨界戽流時，用動量方程寫出戽底斷面與下游尾水斷面水力要素之間的關系，得到臨界戽流動量方程，來求解“戽躍”共軛水深 h2k；用能量方程寫出溢流前緣斷面與戽底收縮斷面水力要素之間的關系，來求解收縮水深h1。

式中：Fr—戽底處的佛汝德數；β—戽內離心力修正系數；θ—戽坎挑角；a2—自河床算起的戽坎高；bΔ—戽底與河床高程的高差；α—戽坎下游面凍水壓力校正系數；η—共軛水深比（η=h2k/h1）；h1、h2k—戽底及尾水處的水深；φ—流速系數；E—以戽底為基準面的上游斷面總水頭。

3 工程實例

3.1 工程概況

某水電站工程是松花江中段規劃的梯級電站的第四級電站，也是最末一級電站，總庫容1215.81×104m3，最大壩高23.06m，上下游最大水頭差5m，電站裝機容量9.0MW。該工程規模為中型，工程等別Ⅲ等，主要由重力擋水壩、溢流壩及泄水建筑物和河床式電站廠房組成，其中重力壩總長 84m，溢流壩總長 111m，電站廠房總長64.5m。

3.2 修建消力戽的 用條件

溢流壩工程設計洪水按 50年一遇（p=2%）取值，泄洪流量 4966m3/s，對應單寬流量45.56m3/s·m，Fr為2.78；校核洪水按500年一遇（p=0.2%）取值，泄洪流量8412m3/s，對應單寬流量 77.17m3/s·m，Fr為 2.41。其下游銜接某水電站庫區，受下游水電站庫水影響，尾水具有一定深度。為典型的低水頭大流量低佛汝德數的水力學問題，下游有水庫庫區銜接，尾水較深，得天獨厚的地理概況成為修建消力戽的必要條件。

3.3 消力戽設計

圖1 消力戽體型及參數

溢流壩采用開敞式無閘WES實用堰，堰頂高程 433.00m，下游銜接消力戽，戽底高程422.00m，為增加戽內旋滾體積，增加超大流量的消能效率，在戽底設置長6m的水平段，戽坎挑角采用45°，反弧半徑采用6m，自河床起算戽坎高度1m，戽底低于河床2m。具體結構詳見圖2，消力戽計算結果詳見表1。

圖2 溢流壩消力戽斷 圖

表1 消力戽計算結果表

4 消力戽應用的前景

中小型水利水電工程水頭大多不高，在設計消能工時常常遇到低水頭大流量地佛汝德數的水力學難題，底流方式消能的泄水建筑物工程量大，投資比重大，有時甚至成為左右工程可行與否的重要因素，影響工程經濟效益。采用消力戽方式消能能夠在有限的空間中節省龐大的工程量，并且取得比底流消能更好的消能效果，為此類工程提供了可行的設計方案。以本文工程為例，若按底流方式消能，消力池需要修建至少 60m以上，采用消力戽方式消能工程投資僅為底流方式消能的2/3，節省資金近1000萬元，取得了較好的經濟效益和社會效益。

能夠形成穩定戽流除了選擇好消力戽的體型及尺寸外，下游水深也是一個控制性因素，只要在下游水深具有一定深度時，消力戽才能真正發揮它的優點。這在上下游河道相差不大時，往往都能滿足下游尾水的要求，在一些下游河道較開闊而導致的下游尾水不夠的工程中，適當采取一定的工程措施，加深下游尾水以滿足穩定戽流的條件同樣可以取得滿意的預期效益。

5 結語

在本文工程實例中應用消力戽消能，解決了低水頭大流量水流消能的水力學難題，是本工程中一次合理有益的創新嘗試，也為類似工程提供了參考經驗。消力戽在低水頭大流量泄水建筑物中的應用具有廣泛的前景。

1 吳持恭. 水力學∶上冊.北京∶ 高等教育出版社, 2003.11.

2 李煒. 水力計算手冊∶ 北京∶ 中國水利水電出版社, 2006.

3 吳持恭, 楊永全, 段維均. 實體消力戽起戽水深的研究.成都科技大學學報, 1981(1).

4 何善國. 左江水力樞紐壩址選擇及水工建筑物布置. 廣西水利水電, 2003(1)