跌坎型底流消能工跌坎深度在工程優化設計中的應用

楊宇　張家明　陳維亮

摘要：以某工程導流泄洪隧洞底流消能工為試驗研究對象，原方案試驗中，在閘門半開工況下，下泄水流出現脫離泄槽底板現象，不利于下泄水流的消能，經研究，改變壓坡段底板坡度，同時將泄槽的兩個坡段改成一個坡段；原方案底流消能工消力池內均發生遠驅式水躍，消能效果差，通過研究采用以最大臨底流速為控制目標的最小跌坎深度計算公式，確定消力池底板高程。經兩次優化試驗后，消除了閘后水流脫離泄槽底板的現象，下泄水流流態穩定，消力池內形成穩定的淹沒水躍消能，出池水流與下游水流銜接較好，消力池內臨底流速和時均動水壓強均明顯降低，消能效果好。

關鍵詞：跌坎型底流消能工；跌坎深度；臨底流速；消能效果；水力學試驗

中圖分類號：TV653 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0170-06

跌坎型底流消能工是一種適用于高水頭、大單寬流量消能的新型消能工。它是在常規底流消能的泄槽末端將底板豎直向下開挖形成適當高度的跌坎而形成的。如圖1所示，由于跌坎的存在，消力池前端形成一定厚度的水墊，不僅增大了入射水流的射程，而且增加了下泄水流的消能水體。根據紊動射流衰減規律，主流流速沿程減??；水流進入消力池后形成淹沒射流，主流附近形成漩渦與消力池內的水體發生強烈的紊動、剪切、摻混作用。因此跌坎有效降低了消力池內的臨底流速，時均動水壓強等水力學指標。與傳統的底流消能相比，跌坎型底流消能工提高了消能效率，消力池內水流流態穩定，有效解決消力池底板抗沖保護難度大的問題，擴大了底流消能工的工程應用范圍。跌坎深度直接影響消力池內水流流態，臨底流速及消能率，因此，選擇一個合適的跌坎深度是確定消力池體型的關鍵所在。

1工程概況

某水庫位于云南省永仁縣。水庫壩址距離永仁縣城53 km。水庫最大壩高為95 m，正常蓄水位為1846 m，總庫容為2 391.5萬m³。水庫工程規模屬中型，工程等別為O等。工程由水庫樞紐、引水工程及輸水工程組成，水庫樞紐主要由攔河壩、溢洪道、輸水泄洪放空隧洞組成。輸水泄洪放空隧洞布置于左岸，采用“龍抬頭”和導流隧洞結合而成，輸水泄洪放空隧洞進口底板高程為1 801.30 m，全長456.18m，其中洞身段長357.68 m，與導流洞結合段長230.3 m。輸水泄洪放空隧洞為有壓洞，洞身為直徑3.0 m的圓形斷面，出口段設工作閘室，設1道2.5 m×2.5 m弧形工作閘門控制泄洪，設計消力池長38 m，池寬8 m，邊墻項部高程為1 756.78 m，底板高程為1750.78 m。原隧洞出口及消能段縱剖面圖和平面圖見圖2、圖3。2試驗模型

試驗模型按照重力相似準則進行設計，并滿足阻力相似要求，模型比尺為1：40。試驗模型由水庫、溢洪道，泄洪隧洞、消力池、尾水護坦段及下游河道組成，泄洪隧洞和消力池均采用8 mm厚透明有機玻璃制作而成，消力池尾水護坦段采用水泥砂漿抹面，用動床料模擬下游河床，在消力池底板上沿程安裝測壓管。模型試驗工況共7個：P=0.1%，P=0.5%，P=2%，P=3.33%，P=5%，P=10%，P=20%，選取特征工況作為分析對象，如表1所示，設計（P=2%）、消能防沖（P=3.33%）以及閘門半開（P=20%）這三種工況。

3原方案存在的問題及解決思路

3.1原方案存在的問題

工況3進行試驗時發現：閘后下泄水流脫離泄槽底板，沖擊消力池底板，極易引發沖刷破壞，進而誘發空蝕破壞；入池水流流態不穩定，消能效果差。

原方案為底流消能，試驗發現各工況下消力池內均發生遠驅式水躍，水流流態不穩定，臨底流速較大，消能效果差，對下游河床有較大的沖刷。

3.2原方案問題解決的思路

工況3為閘門半開，若為理想水體，則閘前閘后水流流線呈對稱分布。實際水體具有黏滯性，出閘水流流線有向上的趨勢，形成脫離泄槽底板的水流，不利于消力池消能。需改變出閘水流的方向以消除水流流線向上，使水流貼底板下泄，同時對泄槽段進行優化，使入池水流平順。

發生遠驅式水躍是由于消力池內消能水體不足，因此必須優化消力池體型以增加消能水體方能提高消能效果、降低消力池出池流速、避免下游河床受到沖刷破壞。

3.3原方案問題之一的解決措施

針對閘門半開時下泄水流出現脫離泄槽底板現象，在不影響控制段過流能力的條件下，改變壓坡段底板坡度，與壓坡段頂板坡度保持一致，為1：6.5；將泄槽的兩個坡段改成一個坡段，坡度為1：6.97。隧洞出口與泄槽段縱剖面圖和平面圖如圖4、圖5所示。壓坡段底板改變了出閘水流的方向，消除了水流泄洪段脫離底板現象，坡段的改變使入池水流平順，有利于消力池消能。

3.4原方案問題之二的解決措施

原方案問題之一解決后，試驗發現各工況下消力池內仍出現遠驅式水躍。為了避免消力池內出現遠驅式水躍，以減輕對底板的沖刷，必須加大池內水深，使入池水流形成淹沒底流流態。跌坎深度直接影響消力池內的水流流態、臨底流速、時均動水壓強、消能率等水力學指標。跌坎深度過小，主流的射程縮短，相應的臨底流速會增大，消能效果不佳，且消力池中沖擊區會存在強烈的漩滾，對消力池的安全穩定不利；跌坎深度過大，一方面工程造價會提高，另一方面雖然降低了臨底流速和脈動壓強，但是消力池內容易形成淹沒混合流，高速水流不再臨底，而是出現在消力池水體的中上層，使得表面流速大，波動大，消能效果差，出池余能也較大。因此選擇一個合適的跌坎深度是設計消力池至關重要的因素。根據紊動射流理論，研究得到以最大臨底流速為控制目標的最小跌坎深度計算公式如下。

如圖6所示的幾何關系：

為確定射流擴散系數和射流擴散角，采用水力學試驗的方法，對跌坎型底流消力池進行試驗，分別測量了入池角度為15°、30°、45°及跌坎深度分別為6、8、10 cm等21個工況下的下泄流量及水頭、入池水深、流速、特征斷面流速和底板壓力分布。通過式（3）計算射流擴散系數和射流擴散角，然后對計算結果進行加權平均。初步計算得σ=2.99和θ₂=12.06°，選取其中13個工況進行驗證分析，各工況下最小跌坎深度理論值與實際坎深的比較見表2。

由表2可知，最大相對誤差為5%，說明最小跌坎深度理論值與試驗值具有良好的吻合性。工程消力池底板采用C35鋼筋混凝土襯砌，根據《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》，在通過的流速小于15 m/s的消力池，宜采用C35、C40的混凝土。基于此，運用以最大臨底流速為控制目標的最小跌坎深度公式，計算得坎深為3 m。工況二，入池角度8.2°，坎深3 m，入池流量為121.4 m³/s，實測入池流速為28 38 m/s，實測入池水深為3.2 m，消力池內實測最大臨底流速為12.34 m/s，用該方法計算得最大臨底流速為12.40 m/s，說明該方法具有較強的可靠性。在原方案的基礎上將消力池底板高程整體降低3 m，各試驗工況下消力池內均發生淹沒水躍，臨底流速明顯降低，出池水流穩定，消能效果好。因此最終隧洞出口及消能段縱剖面圖和平面圖分別如圖7、圖8所示。

4試驗結果分析

4.1水面線

水面線測點沿隧洞出口及消能段中軸線布置，各試驗工況下測得特征點處的水面線高度沿程變化趨勢如圖9所示。各工況下泄槽段（里程370 m至399 m）水流流態穩定，沒有出現下泄水流脫離泄槽底板現象；消力池內（里程399 m至437 m）均發生淹沒水躍，水面線先壅高后降低，出池水流流態穩定。

4.2流速與混凝土強度

各試驗工況下消力池內實測最大臨底流速分布如表3所示。根據《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》，在含沙量小于或等于2 kg/m³情況下，通過的流速大于25 m/s的消力池底板，宜采用強度等級為C40及以上的混凝土；通過的流速在小于15 m/s范圍內，C35的混凝土即滿足要求。在消能防沖工況下（工況2）原方案消力池內最大臨底流速為26.0 m/s，優化方案中消力池內最大臨底流速為12.34 m/s，可知消力池設置跌坎后下泄水流能量得到充分耗散，底流速極大衰減，從而降低了對混凝土的強度要求。

4.3時均動水壓強

沿消力池底板中軸線布置7個壓力測點，測得各試驗工況下消力池底板時均動水壓強沿程變化趨勢如圖10所示。各工況下時均動水壓強變化趨勢一致，先急劇增加，后減小到最小值再緩慢增加，這是由于入射主流到達消力池底板的過程中，主流軸線最大流速極度衰減，一部分動能轉化為消力池底板上的壓能，導致沖擊區底板時均動水壓強急劇增大；由于跌坎的存在，增加了消力池內的消能水體，增大了入射水流的射程，主流流速沿程衰減，在沖擊與附壁射流交界區域主流射向底板發生轉向，主流再附后形成淹沒水躍，淹沒系數變大，時均動水壓強減?。辉诟奖谏淞鲄^呈現流速降低，水深增加，時均動水壓強緩慢遞增。

5結論

本文以某工程為例，研究了在高水頭條件下，跌坎型底流消能工跌坎深度在工程優化設計中的應用問題。通過優化隧洞出口段和消能段穩定了入池水流，降低了消力池內各項水力學指標，成功解決了消力池內出現遠驅式水躍問題。基于紊動射流理論，采用以最大臨底流速為控制目標的跌坎深度計算公式確定跌坎深度，通過水力模型試驗表明，具有較好的合理性和可靠性，可為其他實際工程提供參考。