泄洪洞突擴式跌坎底流消能研究與應用

張華群，邱 勇，胡朝英,阮合春

(云南農業大學水利學院， 云南 昆明 650201)

壩口河水庫總庫容1375.20萬m3，正常蓄水位1605.00m；設計洪水位(P=2%)1606.93m(主汛期)，溢洪洞下泄流量59.80m3/s，泄洪洞下泄流量57.20m3/s；校核洪水位(P=0.1%)1608.78m，溢洪洞下泄流量118.20m3/s，泄洪洞下泄流量58.20m3/s。下游消能防沖洪水標準為30年一遇(P=3.33%)，溢洪洞相應下泄流量57.00m3/s，泄洪洞下泄流量57.10m3/s。

水庫樞紐工程包括瀝青混凝土心墻風化料壩、溢洪洞及(導流)泄洪隧洞、輸水隧洞。

1 原設計方案及存在的問題

1.1 底流消能設計方案

泄洪洞為導流洞改建而成，位于左壩肩，總長489.404m(平距)，包括進口段、龍抬頭段、檢修閘室段、有壓段、工作閘室段、出口消能段。其中工作閘室段(0+421.404～0+441.404)位于出口，長20.00m，底板高程1551.578m；上游側設置5.00m長圓變方壓坡段(由直徑2.40m圓形斷面漸變為2.00m×2.00m的矩形斷面)；下游側為底坡i=1∶5.0、長度21.00m的擴散段(寬度由2.00m漸變為6.00m，擴散角5.44°)，泄槽擴散段與閘室段以折坡直接相連；泄洪洞出口采用底流消能，消力池長度26.00m，寬度6.00m，深度1.60m，底板高程1547.378m。消力池出口和河道呈正交，如圖1所示。

圖1 原設計方案消力池平面布置圖

水庫泄洪以溢洪洞(出口位于泄洪洞下游河段30m位置)為主，當水庫下泄洪水達到或超過30年一遇洪水時，泄洪洞閘門全部開啟，參與泄洪。

1.2 底流消能存在的主要問題

根據水工模型試驗研究，泄洪洞泄流能力大于原設計取用值，增幅達12.6%～13.5%，客觀上加大了泄洪洞出口消力池的消能壓力。

30年一遇消能防沖洪水下，泄洪洞工作閘后折坡下游底板出現較大負壓。盡管泄槽擴散段均未見水流脫離邊壁現象，但縱坡變化致使主流集中于軸線中部。里程0+446.000附近，橫斷面水深分布呈明顯的“凸”形，左側邊墻處水深1.20m、軸線位置處水深2.10m、右側邊墻處水深0.90m；靠近消力池進口(里程0+457.000)附近，橫斷面水深分布才逐漸趨于均勻，左側邊墻處水深0.90m，軸線位置處水深1.00m，右側邊墻處水深0.90m。

下泄水流能量相對集中，消力池內未能形成有效淹沒，如圖2所示，遠驅式水躍躍前斷面位于里程0+472.500附近，水深0.71m，流速15.02m/s；出池水流呈挑射狀進入下游河床，出挑水流落點距離出口斷面(里程0+489.404)9.00m左右(下游河道水深3.00m)。出池水流直沖河床對岸，消力池軸線右側形成較大的漩渦狀回流，左側水流沿對岸山坡坡面斜向下游河道方向流動，進一步加劇了同樣紊亂的溢洪洞消力池出流流態，使得下游河段水流呈大幅Z形擺動。

圖2 原設計方案底流消能(P=3.33%)

考慮到泄洪洞出口消力池不能形成有效的淹沒水躍，出池水流呈急速進入下游河道，流態極為紊亂，需要對消力池體型進行優化。

文獻[1]～[4]針對矩形等寬小底坡泄槽跌擴式消能工的水力特性進行了試驗研究，但未涉及泄洪洞出口閘后設置擴散式泄槽的突擴跌坎底流消能。

2 突擴式跌坎底流消能設計

2.1 閘后體型優化設計

針對原設計方案存在的問題，在多次試驗研究基礎上，對泄洪洞出口消力池體型優化。維持消力池出口里程位置不變、寬度(6.00m)不變，長度由原來的26.00m向上游方向增大到30.00m，底板高程降低1.00m到1546.378m，出口設置高度0.90m的尾坎(消力池池深由1.60m加大到3.50m)；在閘后原折坡位置設置半徑10.00m的圓弧和下游1∶5泄槽擴散段連接。擴散段角度減小至3.37°(擴散段出口寬度由6.00m調整為4.00m)，形成跌坎深度2.60m，消力池兩側邊墻均突然擴大1.00m的突擴式跌坎底流消能如圖3所示。

圖3 優化方案消力池體型圖

2.2 閘后泄槽水流流態

泄洪洞體型優化后，泄槽擴散段水流流態有一定改善，橫斷面水深分布不均勻程度減輕(30年一遇消能防沖洪水下，里程0+447.000附近，橫斷面水深分布仍然呈“凸”形，左側邊墻1.20m、軸線位置1.95m、右側邊墻0.90m；里程0+455.000附近，橫斷面水深分布趨于均勻，左側邊墻1.20m，軸線位置1.05m，右側邊墻1.20m)，入池水流能夠形成淹沒水躍如圖4所示。

根據試驗測試，得到閘后泄槽擴散段(原底板折坡下游)測點斷面水力特性見表1。

圖4 優化方案底流消能(P=3.33%)

方案里程/(km+m)壓力/m流速/(m/s)空穴數備注原設計方案0+441.992-2.5817.600.37P=0.1%(Q=66.04m3/s)-2.4017.270.39P=2%(Q=64.43m3/s)-2.4016.810.41P=3.33%(Q=64.34m3/s)優化方案0+443.365-0.5417.270.52P=0.1%(Q=66.04m3/s)-0.4816.780.55P=2%(Q=64.43m3/s)-0.4516.580.56P=3.33%(Q=64.34m3/s)

表3 優化方案消力池水躍特性

從表1可以看出：體型優化后，閘后原折坡下游泄槽底板壓力上升明顯，盡管水流流速變化不大，但發生空蝕破壞的可能性已顯著降低。

2.3 消力池水流流態[1- 4]

圖5所示為優化方案消力池水流結構分區，由圖5(a)可知：立面上入池水流呈淹沒射流狀，消力池首端水流上下分層明顯，主流下部為底部渦流旋滾區(射流沖擊區上游側)，并且紊動強度不大，各工況情況下消力池進口(里程0+459.904)附近臨底流速均明顯小于沖擊區臨底流速見表2。入射水流沿泄槽底坡方向在消力池底板形成明顯的沖擊區，主流受底板約束，流線發生偏轉，水流轉向；同時在上部回淹水流的撞擊下，形成若干渦體，和回淹水流卷入的空氣充分混摻，動能通過熱能轉化的方式得以耗散，水流流速衰減明顯。附壁射流區水流流速沿程減小，主流向表面躍起，形成尺度較大但強度不高的表面水流紊動。

表2 優化方案消力池臨底流速 單位：m/s

由圖5(b)可知：平面上入射水流位于軸線附近，流速大。由于射流卷吸作用，在主流兩側形成強烈的反向回流。主流和反向回流之間存在明顯的分界，交界面水體不斷碰撞、摩擦，在大梯度剪切作用下，水體動能得到進一步消除或減小。

圖5 優化方案消力池水流結構分區

2.4 優化方案消能率

方案優化后，消力池內能夠形成淹沒水躍，出池水流較為平順(30年一遇消能防沖洪水下，消力池底板進口至出口臨底流速依次下降為10.52、7.38、4.33、1.13m/s)，下泄水流消能率能夠滿足設計要求見表3。

壩口河水庫泄洪洞下泄30年一遇及以上標準的洪水時，流量差別不大，故優化后的消力池體型消能率較為接近，均超過70%。說明突擴式跌坎底流消能能夠充分實現入池水體互相撞擊、摻混，通過摩擦和剪切作用消除高水頭泄水建筑物所具有的泄洪功率。

2.5 消力池出口水流流態

30年一遇消能防沖洪水情況下，消力池后坎頂水深3.10m，盡管出池水流呈跌落狀，但下游河道水位高于尾坎，受回淹作用，過坎水流豎向收縮并不明顯。由于出池水流紊動現象減輕，水流直沖對岸山坡現象有所減弱，河道在泄槽軸線右側漩渦狀回流明顯減小，左側水流較為平穩。

盡管消力池出口底板高于河床，出坎水流呈跌落狀進入河道，但水跌落點位置水流流速不大：30年一遇消能防沖洪水情況下，水股落點距離出口4.80m左右(流速3.06m/s)；設計洪水情況下(P=2%)，出池水流較為平穩，出坎水流落點距離出口5.10m左右(流速3.47m/s)；校核洪水情況下(P=0.1%)，出池水流相對平穩，出坎水流落點距離出口6.30m左右(流速3.86m/s)。泄洪洞出口下游河段水流平順，未見對泄洪洞下游側溢洪洞出流產生不利影響。

3 結語

研究表明，突擴式跌坎底流消能在傳統的水躍消能基礎上，一方面通過跌坎形成的消力池內水墊和入池水流的撞擊，消除水體所具有的功率；另外一方面通過突擴邊墻增加入池水流和主流兩側反向水體的摩擦和剪切，消減下泄水體動能，能夠很好地適應泄洪洞出口擴散式泄槽布置。此外，為改善擴散式泄槽段水流流態，其擴散角可考慮控制在3°以內(出流流速增大，擴散角適當減小)。

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