階梯式消能在壩口河水庫溢洪洞中的應(yīng)用

段勝禹，邱 勇，陳秋蓉，王尚今，李鑫龍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

通訊作者：邱 勇(1971年—)，男，教授。

壩口河水庫坐落于云南省鎮(zhèn)雄縣烏峰鎮(zhèn)，位于烏江一級支流六沖河的右岸支流上，總庫容為1375.20萬m3，壩高為71.40m。水庫校核洪水位(P=0.1%)為1608.78m，下泄流量為110.36m3/s；設(shè)計洪水位(P=2%)為1607.93m，相應(yīng)流量為52.57m3/s；消能防沖洪水(P=3.33%)下泄流量為49.76m3/s。樞紐建筑物包括瀝青心墻土石壩、溢洪洞、輸水隧洞、泄洪(導(dǎo)流)放空洞。

溢洪洞軸線靠左壩肩布置，全長336.690m，由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠段組成。

進(jìn)口段(溢0-006.038—溢0+000.000)為圓弧導(dǎo)墻，底坡為平坡，底板高程1602.000m?？刂贫?溢0+000.000—溢0+011.600)采用WES實用堰，長11.60m，堰頂高程為1605.000m。下接1∶1.087的第一泄槽段(溢0+011.600—溢0+058.810)，后經(jīng)反弧銜接1∶25的第二泄槽段(溢0+058.810—溢0+278.000)，寬度為5.00m，總長342.718m。消能段(溢0+278.000—溢0+317.000)采用底流消能，消力池長40.00m，寬5.00m，池深為1.50m，底板高程1549.70m。尾水渠段(溢0+317.000—溢0+336.680)坡度為1∶50，長18.70m，寬為5.00m。消能后水流直接進(jìn)入河道。具體布置如圖1所示。

壩口河溢洪洞出口和下游河道近為正交，且右岸山體巖層為順向坡，出池水流直沖對岸，影響右岸岸坡穩(wěn)定。

1 原設(shè)計方案試驗情況

溢洪洞原設(shè)計采用光滑泄槽+消力池的方案。根據(jù)水工模型試驗研究，在消能防沖設(shè)計工況下，原設(shè)計體型溢洪洞反弧段末端斷面(里程0+058.810)流速達(dá)23.21m/s，消力池進(jìn)口處斷面流速達(dá)17.05m/s。消力池未形成有效淹沒，下泄水流呈挑射狀進(jìn)入下游河道，流態(tài)極為紊亂，河道及岸坡沖刷在所難免。

此外，高水頭泄水建筑物泄洪時下泄水體能量較大，同時摻帶大量氣體，導(dǎo)致下游河道溶解氣體過飽和。而過飽和的水體會導(dǎo)致河道內(nèi)魚類患?xì)馀莶。踔两o水生生物特別是魚類帶來毀滅性的災(zāi)難[7]。

2 階梯布置設(shè)計

針對上述問題，考慮在第一泄槽段增設(shè)階梯，以減輕出口消能壓力，同時改善下游河道水流摻氣現(xiàn)象：階梯位于里程0+010.060—0+058.810，起始斷面和控制段拋物線相切，出口位于原反弧段末端。臺階高度0.60m、長度0.75m，階梯數(shù)量65級，如圖2所示。

圖1 溢洪洞縱斷面圖

圖2 第一泄槽段階梯布置示意圖

3 階梯消能水力特性

3.1 特征工況流速變化

流速表征流體在單位時間內(nèi)流過的距離，大小可以反映底板穩(wěn)定、沖磨破壞及空蝕破壞的影響。

通過水工模型試驗，測得增設(shè)階梯后，反弧段末端和消力池進(jìn)口的流速見表1。

由表1知，對于原設(shè)計體型，在里程0+058.810(反弧段末端)處，5年一遇洪水流速已達(dá)20.63m/s，增設(shè)階梯后，流速下降至12.97m/s，降幅37.13%；設(shè)計洪水情況下，流速為23.73m/s，下降至16.82m/s，降幅為29.12%；校核洪水時，流速從28.04m/s下降至21.91m/s，降幅21.86%。

由于第二泄槽段產(chǎn)生壅水曲線，在消力池進(jìn)口斷面(里程0+278.000)，上述工況下的流速較之反弧段處下降幅度均超過20%。

表1 增設(shè)階梯前后不同工況特征斷面流速變化情況 單位：m/s

注：v1、v3是原方案特征斷面流速；v2、v4是增設(shè)階梯后特征斷面流速。

結(jié)合流態(tài)分析，5年一遇洪水流量時，里程0+017.060處水深0.51m，階梯泄流已為滑行水流，但階梯切割作用仍然較為明顯，角隅處可見少許的氣泡旋滾；里程0+020.810附近，角隅處的氣泡旋滾已經(jīng)擴大為穩(wěn)定的漩渦，表明沿程水流漸趨紊亂；同時，階梯水體表面的水氣摻混顯著增強，水氣交界面呈現(xiàn)明顯的乳白色。隨著水深進(jìn)一步減小(0.39m)，里程0+041.450處，泄流開始表現(xiàn)出過渡水流特征，階梯的加糙作用更為明顯，角隅處有順時針方向的漩渦，部分角隅處偶見密閉空腔，水體內(nèi)部紊動增強；階梯末端(里程0+058.810)水深(0.34m)進(jìn)一步減小，水流近呈跌落狀進(jìn)入第二泄槽段，階梯角隅處可見回水空腔。

設(shè)計洪水流量時，整個階梯上水體均表現(xiàn)為滑行水流：自里程0+010.060開始，泄流水體均呈透明狀，階梯幾乎未對水體產(chǎn)生有效切割；在0+033.941(水深0.56m)處，角隅處出現(xiàn)氣泡旋滾，表明階梯切割作用逐漸顯現(xiàn)，里程0+038.441開始，角隅處趨于穩(wěn)定，階梯水流表面開始自摻氣；階梯末端(水深0.53m)角隅處有穩(wěn)定的順時針漩渦，尺度達(dá)0.60m。

校核洪水流量時，階梯上為完全的滑行水流：自堰頂(水深3.41m)以下，階梯作用不明顯，只是在里程0+048.200處(水深0.54m)，可以觀察到角隅處的穩(wěn)定漩渦，尺度為0.45m；階梯末端角隅處的漩渦隨同水流下泄，斷面水深0.53m，小于原設(shè)計的隧洞直墻高度，表明增設(shè)階梯后，原有隧洞凈空能夠滿足要求。

3.2 能量變化及階梯消能率

水體所具有的能量(泄洪功率)表征下泄水體對下游的沖刷能力。通過試驗，測試得到增設(shè)階梯后特征斷面的能量變化情況見表2—3。

表2 增設(shè)階梯后不同工況特征斷面能量變化情況

注：E1為原設(shè)計體型反弧段末端斷面能量；E2為增設(shè)階梯后反弧段末端斷面能量；η1為階梯消能率。

根據(jù)表2，第一泄槽段增設(shè)階梯后，在反弧段末端(里程0+058.810)，消能防沖洪水時，下泄水體能量水頭由27.91m下降至13.21m，消能率達(dá)到52.67%。即便是設(shè)計洪水，階梯消能率也可達(dá)到51.01%；校核洪水情況下，階梯消能率為42.86%。

消能防沖洪水流量時，整個階梯上水體均表現(xiàn)為滑行水流：自里程0+010.060—0+031.690，階梯以上水體呈透明狀，階梯的加糙作用不明顯；從里程0+031.690—0+058.810，階梯角隅處同樣可見順時針方向橫軸旋渦，階梯的加糙作用增加明顯，水流紊動增強，水體之間的碰撞以及水體和固體邊界之間的摩擦、撞擊加大，整個階梯上部水體呈現(xiàn)為乳白色的水氣混合流。亦即，下泄水體的位能，相當(dāng)一部分已經(jīng)通過水體內(nèi)部的旋滾、撞擊以及和固體邊界的摩擦，轉(zhuǎn)化為熱能耗散。

隨流量增加，階梯對下泄水體的加糙作用下降，水流流態(tài)趨于好轉(zhuǎn)：無論是設(shè)計洪水，還是校核洪水，其反弧段斷面的消能率均有降低。

表3 不同工況消力池進(jìn)口斷面能量變化情況

注：E3為原方案消力池進(jìn)口斷面能量；E4為改進(jìn)后消力池進(jìn)口的斷面能量。

由表3可知，第一泄槽段增設(shè)階梯后，在消能防沖洪水情況下，消力池進(jìn)口斷面(里程0+278.000)能量由15.41m下降為9.51m，設(shè)計洪水、校核洪水亦即其它特征工況對應(yīng)洪水下的能量也有明顯降低。消力池進(jìn)口能量的減小，有效改善池內(nèi)水體紊動程度，消能后水體摻氣量相應(yīng)減輕，水體溶解氣體飽和度下降，客觀上減輕了消能后水體對下游河道水生動物原有棲息環(huán)境的不利影響。

3.3 小流量(常遇洪水)流態(tài)演變

對于水庫運用而言，溢洪洞能夠遭遇到的洪水多為小流量。階梯消能需要避免在常遇洪水情況下受到破壞。

根據(jù)試驗研究，得到壩口河水庫溢洪洞第一泄槽段增設(shè)階梯后，小流量情況下的水流流態(tài)演變?nèi)鐖D3所示。

圖3 階梯水流流態(tài)示意圖

流量逐漸增大時，階梯上開始出現(xiàn)附壁水流，水體沿階梯呈折線狀貼壁下泄，然后水體直接跌落在階梯上，形成多級跌水。由于固體邊界限制，跌落水體和階梯側(cè)壁可見密閉的空腔，空腔內(nèi)無積水，整個階梯上的水體呈“Z”型下泄。隨著流量繼續(xù)增大，水體的跌落點沿階梯長度方向前移，空腔變大，空腔內(nèi)開始出現(xiàn)積水如圖3(a)所示。

當(dāng)流量大于1.24m3/s時，水體開始淹沒階梯，水流跌落現(xiàn)象逐漸消失，部分階梯空腔消失，在角隅出現(xiàn)沿泄流方向旋滾的水體，部分階梯處空腔仍舊存在，此時，階梯切線上層可見一層乳白色的水汽混合體，與階梯角隅處水體很好的融合如圖3(b)所示。當(dāng)流量為6.70m3/s左右，階梯角隅處空腔都消失，可見穩(wěn)定的水體旋滾，此時過渡水流開始向滑行水流過渡。

當(dāng)水庫洪水超過5年一遇(Q=25.4m3/s)，溢洪洞下泄流量達(dá)到26.40m3/s時，整個階梯段為完全滑行水流如圖3(c)所示。階梯沿程上段可見明顯的清水區(qū)、摻氣發(fā)展區(qū)(階梯角隅處有順時針方向水體旋滾)和摻氣均勻區(qū)(順時針方向的旋滾尺度加大，上層水體呈現(xiàn)為乳白色的水氣混合流)。

綜上所述，常遇洪水在階梯上形成跌落水流或過渡水流所對應(yīng)的流量值均較小，對階梯的安全穩(wěn)定運行不構(gòu)成威脅。

4 結(jié)語

根據(jù)壩口河水庫水工模型試驗研究，得出如下結(jié)論：在第一泄槽段增設(shè)階梯后，消能防沖洪水時，階梯能夠有效消減水體能量，消能率達(dá)到52.67%，消力池進(jìn)口流速下降至13.01m/s，原有消力池體型能夠滿足水流平順要求；即使在校核洪水時，消能率仍可達(dá)到42.86%。此外，壩口河水庫溢洪洞階梯跌落水流和過渡水流的界限值為1.24m3/s；流量6.70m3/s時，過渡水流開始向滑行水流過渡；流量超過26.40m3/s后，階梯上形成完全的滑行水流。

增設(shè)階梯后，溢洪洞第一泄槽段消能效果明顯，有效減輕了出口消力池內(nèi)水體紊動，使消能后水流含氣量降低，對下游河道具有明顯的生態(tài)效益。