突擴底流消力池跌坎深度對池長的影響研究

阮合春，邱 勇，羅國立，湯之飛，楊澤文

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201)

隨著水資源的進一步開發，可供泄水建筑物選擇的出口地形、地質條件越來越難于滿足樞紐布置的要求：一是工程地質條件不允許采用挑流消能，二是狹窄陡峻的地形條件難于滿足底流消能對池長的要求。對此，通常能夠采用的工程措施就是在泄水建筑物的出口段設置擴散段，再輔之于邊墻突然擴大，形成突擴型底流消能。由于泄槽擴散段的存在，一定程度上降低了出口單寬流量，能夠有效減輕下游消能壓力，同時下游水深所形成的淹沒，由于消力池邊墻的突然擴大，受主流兩側反向回流和側向旋滾作用，能夠更好地消除泄水建筑物下泄水體所具有的能量。此時，增設跌坎，可以延長入射水流射程，增加水體間的摻混、摩擦、剪切，進一步改善消力池底板的力學指標，客觀上降低對消力池池長的要求。

1 試驗方案及模型布置

1.1 研究內容及方案

對于高速水流，泄槽擴散角太大，水流容易脫離邊界，擴散角太小則達不到降低單寬流量的目的，工程上通常采用3°擴散角。建議消力池突擴比1.75(跌坎深度10cm)。依托水工模型試驗，在擴散角為3°的擴散式泄槽、消力池邊墻突擴寬度為35cm的基礎上，通過改變消力池跌坎深度，對突擴式消力池水力特性進行研究，以探求其對消力池池長的影響。試驗方案如下：方案一：跌坎深度T=5cm；方案二：跌坎深度T=10cm；方案三：跌坎深度T=15cm。

試驗研究了不同方案下三組流量(Q=9L/s、Q=12L/s、Q=15L/s)消力池內水流的紊動情況，同時測試了消力池底板的臨底流速、脈動壓強標準差等水力特性。

1.2 模型布置

模型采用有機玻璃制作而成，控制段為WES實用堰，最大水頭2.40m，消力池進口接擴散式泄槽，擴散角α=3°、底坡i=1∶1.5，泄槽寬由15cm擴散到20cm，平距0.50m；消力池突擴比(消力池寬度比泄槽末端寬度)為1.75，池長為95cm；出口尾水渠設置為平坡，寬度為20cm，如圖1所示。

圖1 消力池結構體型圖(單位：mm)

2 試驗成果分析

2.1 消力池水流結構分區

根據消力池水流流態，將消力池水流結構劃分為：淹沒射流、底部旋渦、沖擊區、附壁射流、補償流區、表面漩滾，如圖2所示。

圖2 消力池水流結構分區圖

淹沒射流：射流進入消力池后，在池內水體的頂托下形成擴散狀淹沒射流。

底部旋渦：在淹沒射流的吸卷作用下，淹沒射流下部形成底部旋渦。

沖擊區：射流沖擊到底板的區域。入射水流進入消力池，受底板約束，流線發生急劇偏轉，水流轉向，主流沿底板潛射前行；此外，在主流左、右兩側及底板上游方向可見強度稍弱的潛射水流。

附壁射流：潛射水流在消力池底板形成流速沿程減小的附壁射流。附壁射流和回淹水流不斷摻混，在靠近邊墻位置形成尺度沿程逐漸增大的上涌水突；同時，在尾水進口底部主流下方可觀察到明顯的橢圓狀橫軸漩滾。

補償流區：向上游方向的附壁射流，從消力池進口兩側的角隅處涌出，卷入主流。

表面漩滾：回淹水流與兩側邊墻附近不斷向消力池軸線附近翻卷的水突共同作用，受淹沒射流影響，形成向消力池進口方向涌動的表面漩滾。

結合消力池內水體紊動程度，將消力池內水流流區分為強紊動區和弱紊動區：強紊動區水體混摻、摩擦、剪切作用明顯，射流動能衰減大；弱紊動區水體相對平穩，幾呈透明狀，可見含氣型水珠向上出逸。

通過試驗觀察，將消力池內水流紊動顯著減輕的表面旋滾下緣作為強紊動區和弱紊動區的分界，弱紊動區水體沒有明顯向上游方向回淹。

針對泄槽射流受淹沒水體作用，消力池后段流速衰減明顯的情況，在消力池近出口段底板沿軸線等間距(58mm)布設9個測點，上游至下游編號依次為：0- 1、0- 2、0- 3、0- 4、0- 5、0- 6、0- 7、0- 8、0- 9，其中0- 1測點位于消力池中部1/2池長位置，如圖3所示。

圖3 消力池底板測點布置示意圖(單位：mm)

2.2 泄槽擴散段水流流態

在泄槽擴散段，受水流慣性作用，主流靠近軸線中部，在直邊墻和斜邊墻之間的擴散區域內水深小于軸線附近水深，致使橫斷面水深沿水流方向均呈中間高、兩側低的“凸”形：擴散段起始斷面(溢0+09.435m)和擴散段末端斷面(溢0+09.935m)處水深分布較為均勻，但在A-A斷面(溢0+09.685m)處，左、中、右水深差值明顯，擴散段橫斷面溢0+09.685m水深分布見表1。此外，擴散段水流橫斷面流速分布也呈中間高、兩側低。

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表1 擴散段橫斷面(溢0+09.685m)水深分布

擴散段水流流態及沿程橫斷面水深分布表明：試驗所采用的3°擴散角能夠兼顧擴散式泄槽的水流流態和泄槽出口單寬流量的降低。

2.3 消力池水流紊動變化

相同跌坎深度情況下，隨下泄流量增加，消力池內水體紊動程度加劇，躍后斷面下移，弱紊動區的長度明顯減小，表明消力池長度需要相應增加。

根據試驗觀察，Q=9L/s、12L/s、15L/s流量下消力池內弱紊動區域長度見表2。

表2 消力池弱紊動區長度 單位：cm

由表2可知，三組試驗流量下，消力池內水流流態隨跌坎深度均變化明顯，跌坎深度增加時，附壁射流和回淹水流摻混形成的上涌水突和表面漩滾尺度弱化，一定程度上表現為底流水躍淹沒程度增加，消力池內水體強紊動區不斷向泄槽方向后縮，弱紊動區長度相應增大，消力池出口尾水流態改善明顯。由此可以認為，入射水體動能主要消耗于強紊動區域，弱紊動區域的長度變化和池長關系明顯。

相同下泄流量情況下，隨跌坎深度的增加，消力池內水體混摻、剪切、摩擦作用強化，射流流速衰減明顯，消力池內水流強紊動區長度減小，弱紊動區長度增大。跌坎深度為5cm時(Q=15L/s)，消力池水體介于臨界水躍向遠驅式水躍過渡區間，射流在消力池內幾呈急速流動，出池主流基本沿尾坎出射，消力池內弱紊動區長度最小，僅為1.5cm；跌坎深度增加至10cm時，由于底板高程降低，盡管淹沒射流射程有所增加，但附壁射流流速降幅增大，消力池內能夠形成穩定的淹沒，弱紊動區長度增大到8.5cm；跌坎深度進一步增加至15cm時，受水深加大影響，入射水流在沖擊區附近流速即出現降低，水體紊動進一步減弱，消力池內水體弱紊動區長度可達12.0cm。

2.4 消力池射流沖擊力

水流沖擊力是由于水流的質量及流速而產生的，其大小是消力池發生結構破壞的關鍵因素，對消力池的力學指標有很大影響。

通過試驗測試得到各測點位置的流速，應用動量方程計算得到不同跌坎深度下消力池內各測點射流沖擊力，見表3。

各測點射流沖擊力分布如圖4所示。

表3 消力池底板測點射流沖擊力計算成果

注：射流沖擊力的正方向為平行于底板指向下游。

圖4 消力池射流沖擊力分布

由圖4可知，不同流量、不同跌坎深度情況下，射流沖擊力沿程均呈“先陡后緩”的下降趨勢。相同跌坎深度，隨流量的增加，射流沖擊力“陡降段”范圍向出口方向前移的同時，沿程分布漸趨均勻化，消力池內水流紊動相應增強；相同下泄流量，隨跌坎深度增加，同一測點射流沖擊力均有不同程度的下降，近消力池出口處的數值更為接近，表明跌坎深度的增加，能夠改善消力池內水流流態。

通過試驗發現，Q=15L/s、跌坎深度5cm時，靠近消力池出口的測點0- 9位置近為強紊動區與弱紊動區的臨界點。此時，根據計算得到的測點0- 9位置射流沖擊力為0.0035kN(v=0.3m/s)。因此，將0.0035kN作為射流沖擊力基準值研究其沿程衰減情況。

采用線性內插法可以得到：當流量Q分別為9L/s、12L/s、15L/s，跌坎深度5cm時，射流沖擊力從消力池中部測點(0- 1)衰減至基準值0.0035kN的距離依次為24.2cm、34.1cm、46.5cm；跌坎深度增加到10cm時，射流沖擊力從消力池中部測點衰減至基準值0.0035kN的距離依次為18.7、29.7、39.4cm；跌坎深度進一步增加到15cm時，射流沖擊力從消力池中部測點衰減至基準值0.0035kN的距離依次為11.6cm、25.1cm、34.8cm。亦即，跌坎深度的增加，客觀上減輕了射流沖擊力對消力池底板的作用。

同時，可得到不同方案下強紊動區(附壁射流)與弱紊動區的臨界位置及弱紊動區長度，弱紊動區長度見表4。

表4 消力池弱紊動區長度 單位：cm

比較表4和表2可以看出，通過動量方程計算射流沖擊力得到的消力池弱紊動區域長度能夠和試驗觀測現象吻合。

2.5 消力池底板脈動壓強標準差

脈動壓強具有瞬時離散性，能很好的反映水體的波動程度，脈動壓強標準差變小，說明水流趨于平穩。對其進行分析，常采用統計分析中的標準差作為脈動壓強的主要幅值特征。

根據試驗測試，得到Q=9L/s、Q=12L/s、Q=15L/s三組流量下底板測點脈動壓強標準差的分布情況，見表5。

同樣，在Q=15L/s、跌坎深度5cm情況下，以測點0- 9的脈動壓強標準差0.168作為基準值進行比較分析，由表2可以看出消力池底板測點的脈動壓強標準差分布規律和臨底射流沖擊力的分布規律基本一致。

各測點脈動壓強標準差分布特征如圖5所示。

由圖5可知，在相同下泄流量情況下，跌坎深度增加，底板脈動壓強標準差降低明顯，Q=15L/s時，跌坎深度由5cm增加至10cm時，測點0- 1的脈動壓強標準差從0.599降低至0.512，降幅14.5%；跌坎深度進一步增加至15cm時，測點0- 1的脈動壓強標準差繼續降低至0.388，降幅24.2%，

表5 消力池底板脈動壓強標準差

圖5 消力池底板脈動壓強標準差分布

且沿程分布漸趨均勻，表明消力池內消能之后的水體沿程逐漸趨于平穩。

采用線性內插法分析不同流量、不同跌坎深度下底板脈動壓強標準差從消力池中部測點(0- 1)沿程衰減至基準值0.168的距離，對比弱紊動區長度的變化，與通過射流沖擊力計算、水流紊動情況觀測得到的數值基本吻合。

3 結論

通過水工模型試驗，結合消力池內水流紊動情況、臨底射流沖擊力以及底板脈動壓強標準差，研究一定邊墻突擴寬度條件下，擴散式 泄槽消力池跌坎深度對池長的影響。結果表明，不同流量情況下，增加跌坎深度均可在一定程度上減小消力池長度，當Q=12L/s、跌坎深度為5cm時，弱紊動區長度約14cm；跌坎深度增加至10cm時，弱紊動區長度約18cm；跌坎深度繼續增加至15cm時，弱紊動區長度約23cm。在地形條件受限的情況下，可以考慮通過增加跌坎深度來減小消力池長度，以滿足樞紐布置要求。