基于低弗氏數(shù)水流下折坡漸擴式消力池的優(yōu)化

白 欣，張宗孝，黃智文

(陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點實驗室， 陜西 西安 710048)

基于低弗氏數(shù)水流下折坡漸擴式消力池的優(yōu)化

白 欣，張宗孝，黃智文

(陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點實驗室， 陜西 西安 710048)

底流消能中在遇坡度情況下通常采用折坡擴散型消力池，其消能效果較好，對地形適應性強，在同等水利條件下，需要的池深更小，更經(jīng)濟高效。折坡式消力池的優(yōu)化及應用還存在難題，該體型在低弗氏數(shù)水流下的消能與具體工程的應用具有一定研究價值。本工程水流為低弗勞德數(shù)水流，通過模型試驗，在不同工況下，對折坡擴散式消力池的水深、壓強、消能率等水力特性做了研究，針對三種不同體型比較優(yōu)化，最終得出加深消力池與在護坦加設消能墩的方式，其對下游水深的適應更好。

折坡擴散式；低弗氏數(shù)；消力池；底流消能；模型試驗

低水頭泄水建筑物的主要消能方式為面流消能和底流消能，其中底流消能是工程上通常采用的一種消能形式。底流消能是通過水躍使水流表面發(fā)生翻滾、摻氣、混摻，從而與周圍的水體產(chǎn)生動能和能量的交換、抵消，來消除余能。底流消能的效率與入流的弗勞德數(shù)Fr有關，當1.5

消能優(yōu)化的思路通常以恒定流為依據(jù)，設計優(yōu)化泄洪洞的體型和尺寸，加入輔助消能工等措施，同時考慮其安全性，在能滿足其工程任務級安全性的前提下提高經(jīng)濟性，本文以模型試驗為主體，以流態(tài)、流速、消能率，沖刷等指標進行對比，從而比選出相對最優(yōu)的方案。

1 概 述

1.1 工程概況

遼寧清原下水庫泄水建筑物采用岸邊溢洪道和泄洪放空洞聯(lián)合泄洪方式。溢洪道和泄洪洞均布置在右岸。下水庫正常蓄水位為319.0 m，死水位為298.0 m，正常蓄水位以下庫容1 564 萬m3，調節(jié)庫容1 443萬m3，死庫容121萬m3。下水庫200年一遇設計洪水洪峰流量570 m3/s，2000年一遇校核洪水洪峰流量1 056 m3/s。

溢洪道總長176 m，自上游向下游由進水渠、溢流堰、泄槽、消力池組成。溢洪道采用喇叭形進口，進水渠底板高程305 m，為改善水流條件，靠近溢流堰設40 m導墻。溢流堰段長22.5 m，采用WES實用堰，堰頂高程310 m。泄槽段長105.22 m，底坡28.8%。溢洪道出口采用底流消能，消力池底高程273.00 m，池深6 m，池寬8 m。

1.2 模型試驗設計

根據(jù)模型試驗任務要求，模型按重力相似準則設計，比尺為1∶50，根據(jù)相似準則，則模型中其他比尺如表1所示。局部動床模型，模型砂粒徑根據(jù)茲巴什公式(k取5.5)計算，抗沖流速為2.0 m/s，試驗沖刷料粒徑約為1.6 mm～3.2 mm，中值粒徑約為2.2 mm；為了觀測沖刷坑的深度、范圍，從溢洪道消力池下游護坦溢0+242.672斷面和泄洪放空洞消力池下游護坦泄0+567.900斷面開始，至下游距溢洪道溢0+242.672斷面114.210 m，即溢0+356.88斷面，動床的左邊位于溢洪道軸線左邊75 m，動床的右邊位于溢洪道軸線右邊80 m，動床范圍為長114.21 m×寬155.0 m。動床深度約為15 m，最低點高程約為263.0 m[8]。

表1 模型試驗各物理量比尺表

2 原方案消能實驗成果及存在問題

小流量時，消力池流態(tài)為淹沒水躍，隨著庫水位的增加，流量的增大，水躍躍首后移。至設計洪水位319.00 m時，水躍躍首已移至消力池池首溢0+127.720斷面附近，校核洪水位319.96 m時出現(xiàn)遠驅水躍，以上流態(tài)反映溢洪道消力池的尺度不足，溢洪道具體流態(tài)見圖1。

圖1原方案溢洪道消力池及護坦319.00 m水流流態(tài)

(Q=440.0 m3/s)

水流從消力池末端流入下游護坦，由于護坦過水斷面突然擴大，加之消力池深度不足，消力池末端的水面增高，導致在護坦上產(chǎn)生較大的水面跌落。設計洪水位時，最大的水面跌落約5.5 m～6.5 m，之后水面波動較大，由于護坦較短，使得下游沖刷較為嚴重。目前消力池消能不足的改進方法較多，加深消力池、加設消能墩都是比較常用的方法[9-11]。針對上述問題，現(xiàn)從兩個方面來解決上述問題：(1) 加深消力池，因護坦太短在護坦段加設消能墩以消除余能，平順水流；(2) USBR Ⅱ型輔助消能工，消力池前段采用趾墩，尾端采用差動坎，加大水流摻氣，達到消能。

3 修改方案試驗結果

3.1 方案1

該方案為在消力池入口處布置分流趾墩的USBR Ⅱ變型消力池，池尾設差動坎，具體布置型式及尺寸見圖2。消力池高程，池寬等不變。各種實驗工況結果表明：消力池內加設趾墩使消力池的消流能力有所提高，但池內紊動加劇，水流回旋嚴重使池內沖刷加劇，對水工建筑物的使用壽命危害很大，且出池水流仍為急流銜接水面波浪較大。

圖2方案USBR Ⅱ變型消力池尺寸圖

3.2 方案2

該方案將消力池的底板高程降低2.0 m，變?yōu)?71.0 m，池寬由原來的8.0 m變?yōu)?0.0 m，護坦高程不變，仍為279.0 m，護坦長度由原來的30 m變?yōu)?0 m長，后接40 m長干砌石海漫，再接21 m長防沖槽。小流量時，消力池流態(tài)為淹沒度較大的淹沒水躍，即折坡水躍。隨著庫水位的增加，流量的增大，水躍躍首后移。至設計洪水位319.00 m時，水躍躍首在消力池上游溢0+109.172斷面和溢0+117.672斷面擺動；校核洪水位319.96 m時水躍躍首在消力池上游溢0+108.672斷面和溢0+122.172斷面擺動。以上兩個工況消力池均為淹沒水躍，說明修改方案的消力池深度和寬度均能滿足水躍消能要求。水躍躍首擺動較大，消力池水面波動較大。經(jīng)計算，溢洪道消力池水躍躍首斷面的弗勞德數(shù)Fr約在3.5～3.8之間變化，該弗勞德數(shù)為水力學里面定義的2.5

圖3護坦上加設消能墩的體設計

4 各方案比較

4.1 水面線以對比

本次對比取擴散段，消力池和護坦部分進行對比。具體樁號如圖4所示。圖4中可清楚看出原方案屬于遠驅水躍，其在水利中屬于工程不利水流，消能率較低；修改方案明顯改善了這一水流狀態(tài)，水躍逐漸向上游移動，但修改方案2的流態(tài)更優(yōu)，消能率更高，對下游沖刷更小。其原因為方案2的消力池更大，利用率更高，對下游河道保護及防沖更有利。

圖4各體型下池中水深及水面線比較

4.2 消能率級下游沖刷對比

消能率在消力池的優(yōu)化中為主要優(yōu)化參數(shù)，其大小往往決定著該方案的取舍，工程需多方面考究，決定在各條件下都較優(yōu)的方案。在設計工況下對各方案與原方案比較，以消能率η，以及出池流速為標尺來進行比較。根據(jù)水力學教材可知η的計算公式如下[14-15]

η=(E1-E2)×100%

(1)

(2)

(3)

H1、H2、V1、V2為消力池上游和下游斷面的相對高程和平均流速；α1、α2分別為上下游斷面的流量系數(shù)，本次計算取1.0；出池流速取底，中，表，其結果如表2所示。

表2 各方案消能率及下游水力特性的比較

從表2中可以看出原方案的消力池消能率較低，優(yōu)化后方案1雖然改善了消能率和出池流速但是不如方案2的效果好，理論上兩種方案都是可行的，但是方案2的消能率最高，而且池內流態(tài)很好，護坦后底流不大，波浪較小。故本工程采用方案2。

5 結 論

高水頭、低弗氏數(shù)泄洪建筑物在工程上是一個比較難以解決的問題，因本身消能率低，在工程實際上常常須借助各種輔助消能工來解決問題。輔助消能工主要依靠體型來產(chǎn)生小尺度漩渦，在局部發(fā)生混摻、紊動來使水流之間產(chǎn)生能量交換降低流速，從而保護下游河道、岸坡。目前國內外提出了許多輔助消能設施及方法，合理、靈活運用這些輔助消能建筑物對解決工程問題有很大幫助。

本次研究將消能墩置于護坦上，來解決底流消能中低水頭、低弗氏數(shù)泄水建筑物的消能防沖，效果很好，而且避免了在池內修建消能墩、趾墩、分流墩時混入大顆粒泥沙對消力池內的破壞，以及小型渦旋對消力池的沖刷。本工程簡單實用，為低弗氏數(shù)水流的消能提供了一種新思路，可供其他工程借鑒。

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OptimizationoftheSlopeExpandingStillingBasinUnderLowFroudeFlowCondition

BAI Xin, ZHANG Zongxiao, HUANG Zhiwen

(StateKeyLaboratoryofEco-HydraulicEngineeringinShaanxi,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

Bottom flow energy dissipation usually adopt folding diffusion model stilling basin when it come across slope, the energy dissipation effect of which is good and it also has the advantage of strong terrain adaptability, under the same water conservancy condition, the deep pool is smaller comparing to other energy dissipation, thus it is very efficient in terms of economy. However the optimization and application of slope stilling basin is still a remaining issue, the body design in the low Froude flow condition and specific engineering application is of great importance. In this paper, the project of low froude number flow was tested under different conditions, folded slope dispersive stilling basin water depth, pressure and energy dissipation of hydraulic characteristics were optimizaed based on three different sizes, and measures such as deepen stilling basin and adding apron energy dissipation piers in the manner were proposed which is better to the downstream water depth.

slopeexpansionlow;lowFroudenumber;stillingbasin;underflowenergydissipation;modeltest

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.038

2017-05-28

2017-06-23

白 欣(1991—)，男，陜西寶雞人，碩士，主要從事工程水力學工作。E-mail:894425138@qq.com

TV653

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1672—1144(2017)05—0207—04