綜合式消力池尾坎體型優(yōu)化與試驗研究

李特

摘 要：綜合式消力池是底流消能常見的消能方式之一。以模型試驗為基礎(chǔ)，通過測量水面線、流速以及下游沖刷坑深度等水力學(xué)參數(shù)表明，齒坎消力池配合增加消力池長度能有效解決一般綜合式消力池尾坎存在的水流二次跌落幅度較大、出池水流流速較大、消能率較低以及下游沖刷嚴(yán)重等問題，可為實際工程的消力池設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：消力池;底流消能;二次跌落

中圖分類號：TV653文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0061-04

Abstract：Integrated stilling basin is one of the common energy dissipation methods of bottom flow. Based on the model test， the hydraulic parameters such as water surface line， flow velocity and downstream scour pit depth are measured.The results show that the tooth bucket stilling basin with increasing the length of stilling basin can effectively solve the problems of large secondary drop amplitude， large flow velocity， low energy dissipation rate and serious downstream scour in the tail bucket of general comprehensive stilling basin.At the same time， it provides important reference for the design of stilling basin in practical engineering.

Keywords： stilling basin;underflow energy dissipation;secondary drop

底流消能[1]是泄水建筑物常用的消能方式之一。它通過泄水建筑物下游的工程措施控制水躍發(fā)生的位置，通過水躍產(chǎn)生的表面旋滾和強(qiáng)烈的紊動混摻消殺下泄水流大部分能量，從而達(dá)到消能并平穩(wěn)連接下游的目的。消力池作為主要的消能建筑物，存在3種不同的結(jié)構(gòu)形式，分別為降低護(hù)坦高程形成的下挖式消力池、在護(hù)坦上（一般在末端）設(shè)置消力檻而形成的消力檻式消力池以及降低護(hù)坦高度又設(shè)置消力檻而形成的綜合式消力池。其中，綜合式消力池[2]獨具流態(tài)穩(wěn)定、基巖開挖深度較小、尾坎高度小和造價較低等優(yōu)點，在水利工程界被廣泛應(yīng)用。但是，研究過程中發(fā)現(xiàn)，綜合式消力池存在出池水流二次跌落較大和下游河道沖刷較為嚴(yán)重的問題。因此，對消力池尾坎[3]的體型優(yōu)化成為研究的主要方向。本研究利用某大型水利樞紐工程的模型試驗，探索齒坎[4-5]（又稱為差動坎）的布設(shè)在解決這一實際問題中的作用。

1 工程概況及試驗?zāi)Ｐ?/p>

本樞紐工程位于雅魯藏布江流域，采用混合式開發(fā)方式。樞紐壩址控制流域面積為1.595×105 km2，正常蓄水位為3 206.00 m，總庫容為1.082×108 m3。泄水建筑物主要由右岸兩孔泄洪沖砂底孔和左岸4孔泄洪表孔組成。泄洪沖砂底孔和泄洪表孔均采用綜合式消力池消能方式。

試驗依據(jù)重力相似設(shè)計準(zhǔn)則，模型為正態(tài)水工模型，模擬范圍包括上游庫區(qū)、水利樞紐、消力池及下游河道等，比尺選擇1∶100。相應(yīng)的其他水力要素比尺關(guān)系及數(shù)值如表1所示，其中[λ]代表原模型物理量之比。

為了保證來流條件相似和穩(wěn)定：模型上游河道模擬到電站進(jìn)水口上游900 m，超出試驗要求的300 m;下游河道模擬至壩軸線下游1 300 m，滿足試驗要求的1 000 m;模型橫向截取范圍包括最高水位等高線，并留有適當(dāng)?shù)陌踩?上游庫區(qū)和下游河道模型邊界高程分別截取至3 210.00 m和3 190.00 m。體型及上下游河道試驗?zāi)Ｐ停鐖D1所示。

2 原方案試驗工況下的試驗結(jié)果

在試驗工況下，模擬水面線、流速及下游沖坑等水力要素特征。

2.1 原方案試驗工況下水面線特征

如圖2（a）所示，在試驗工況下，泄洪表孔前出現(xiàn)較明顯的坡降。從壩前120 m處的3 207.9 m降至閘室進(jìn)口（即樁號為壩0-012.00 m斷面）的3 206.9 m，降幅為1 m。壩前水流平順，水面波動較小，因此水面沿橫向變化很小。出消力池后水面產(chǎn)生二次跌落，跌落位置約在池后60 m，跌落高度達(dá)12.4 m，跌幅較大。

如圖2（b）所示，對于沖砂底孔，壩前水面線從壩前120 m至底孔進(jìn)口斷面（樁號為壩0-012.00 m）在各工況下的降幅均很小，約為0.1 m。進(jìn)口水流平順，水面波動很小，水面橫向變化很小。出池水流在池后產(chǎn)生二次跌落，跌落位置約在池后45 m，跌落高度達(dá)6.0 m，跌幅較大。

2.2 原方案試驗工況下流速特征

在試驗工況下，對泄洪表孔和沖砂底孔的消力池及尾坎不同斷面位置的水流臨底流速和斷面平均流速進(jìn)行測量，結(jié)果分別如表2和表3所示。

2.3 原方案試驗工況下下游河床動態(tài)模擬結(jié)果

如圖3所示，原方案試驗工況下，沖淤試驗結(jié)果表明：泄洪表孔最大沖坑位置和沖坑范圍分別為池后170 m和池后330 m，沖坑最大深度達(dá)27 m;沖砂底孔后，沖深大于35 m的范圍為池后30～400 m，沖坑范圍至池后493 m，且左岸生態(tài)機(jī)組后回流淘刷和淤積較為嚴(yán)重。

3 體型優(yōu)化過程

通過分析原方案試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：表孔消力池底流消能效果較差，尾坎處水流流速達(dá)9.2 m/s，出消力池后水面產(chǎn)生二次跌落高度達(dá)12.4 m;沖砂底孔尾坎處水流流速為6.0 m/s，出消力池水流跌落高度也超過6.0 m。同時，受邊界條件影響，下游沖刷坑最大深度超過35 m。綜合來看，原設(shè)計方案存在諸多問題，會威脅到水工建筑物的整體安全和穩(wěn)定。

在原設(shè)計方案基礎(chǔ)上，將表孔消力池尾坎修改為齒坎，表孔護(hù)坦向左岸延伸17 m，沖砂底孔消力池底板高程降3.5 m，池長增加18.91 m，下游保留施工導(dǎo)流縱向混凝土導(dǎo)墻，具體修改如圖4所示。

4 優(yōu)化方案試驗工況下的試驗結(jié)果

4.1 優(yōu)化方案試驗工況下的水面線特征

如圖5（a）所示，在試驗工況下，壩前水流平順，水面波動較小。由于壩前水流流速較小，水面沿橫向變化很小。消力池內(nèi)底流消能流態(tài)穩(wěn)定，出消力池后水面產(chǎn)生二次跌落，跌落位置約在池后60 m，跌落高度約為4.4 m。

如圖5（b）所示，對于沖砂底孔，壩前水面線從120 m至底孔進(jìn)口變化很小，壩前水面波動微小，水面平靜。出池水流平順，無明顯二次跌落現(xiàn)象，且池后水面波動也較小。

4.2 優(yōu)化方案試驗工況下的流速特征

優(yōu)化方案試驗工況下測量泄洪表孔和沖砂底孔的消力池和尾坎不同斷面位置的水流臨底流速和斷面平均流速，結(jié)果如表4和表5所示。

4.3 優(yōu)化方案試驗工況下下游河床動態(tài)模擬結(jié)果

如圖6所示，優(yōu)化方案試驗工況下，沖淤試驗結(jié)果表明：泄洪表孔最大沖坑位置和沖坑范圍分別為池后330 m和池后240 m，沖坑最大深度達(dá)29.2 m;沖砂底孔后沖坑局部最大深度約為14.4 m，沖刷深度較小。

5 結(jié)語

根據(jù)水工模型試驗，在試驗工況下分別對體型優(yōu)化前后的泄洪表孔和沖砂底孔進(jìn)行模擬研究。對泄洪表孔試驗研究發(fā)現(xiàn)，在不改變消力池長度和深度的情況下，采用齒坎可有效降低出池水流二次跌落高度，但不利于降低出池水流流速，消能率較低。對沖砂底孔試驗研究發(fā)現(xiàn)，將消力池尾坎優(yōu)化為齒坎的同時適當(dāng)增加消力池長度，可有效降低出池水流二次跌落高度，降低出池水流流速，增加消能率，同時降低下游河床沖刷坑深度。

參考文獻(xiàn)：

[1]張慧麗，王愛華，張力春.底流消能及其在工程上的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2009（2）：82.

[2]王學(xué)斌，張志昌，傅銘煥.綜合式消力池常用設(shè)計方法存在的問題和應(yīng)用條件研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2017（3）：495-501.

[3]王軍，刁明軍，蔣雷，等.消力池尾坎體型對水躍特性的影響[J].西南民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（6）：640-645.

[4]蒙文賓.底流消能下差動型尾坎的體型優(yōu)化研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2017：79-86.

[5]冬俊瑞，李永祥.齒形尾坎消力池消能紊動特性研究[J].力學(xué)學(xué)報，1989（5）：530-538.