防洪壩地下消力池的設計與有效性分析

劉 濤

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

地下消力池(ISB)作為傳統消力池的替代方案，是一種底部出水口后同時截面增大和突然下降的消力池。目前，已有學者對消力池(SB)中的水躍進行了大量研究[1-3]，但對ISB內的水躍研究還很少。本文以位于額爾齊斯河流域阿勒泰防洪壩及其消力池為研究對象，此消力池采用水力經典跳躍法設計，為了獲得所需的尾水深度，在消力池下游安裝了一個端檻。在端檻上安裝了兩個狹縫，用于沖洗泥沙并實現魚類通過功能。本文應用K-R方法(Katakam和Rama在1998年對一個僅擴大消力池的水躍進行了理論和試驗研究，本文將此研究方法簡稱K-R法)[4]提出了所研究消力池的更新設計，即地下消力池和主要控制參數。并從阿勒泰防洪壩出口尺寸和消力池尺寸的角度對消力池的新設計和現有設計進行了比較。

1 地下消力池

傳統消力池由棱柱形、矩形和接近水平的水池組成，該水池采用經典水力跳躍法設計。這種消力池需要相對較高的下游尾水深度，以確保從超臨界流過渡到亞臨界流，并減少下游河床的侵蝕。通過將突然增大和突然下降相結合，形成了類似于阿勒泰防洪壩的非棱柱形消力池。

1.1 主要參數定義

當突然下降與突然擴大相結合時，每個測量值的典型水力現象相互重疊，相互影響，并產生整體特征非常復雜的水力跳躍。本文在塔里木大學水利實驗室開展了這項研究，旨在研究ISB中的水躍流動模式。清水相中ISB的能量損失(HL)可能取決于以下參數，如式(1)所示。

HL=f(U0，b，h0，s，B，L，h2，D，ρw，g)

(1)

式中：HL為能量損失，m；U0為底部出口的出口速度，m/s；b為出口寬度，cm；h0為出口高度，cm；s為臺階深度，cm；B為ISB寬度，cm；L為SB長度，cm；h2為后續深度，cm；D為端檻高度，cm；ρw為水密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2。

因此，相對能量損失REL可以寫成以下無量綱參數的函數，如式(2)所示。

(2)

式中：H1和Fr1分別為底部出口與消力池的總能量和弗勞德數；y為后續深度與出口高度的比值(h2/h0)；γ為出口寬度與出口高度的比值(b/h0)；β為膨脹比(B/b)；S為跌落數或階躍深度與底部出口高度的比值(s/h0)；α為ISB的長寬比(B/L)；δ為相對端梁高度(D/B)。此外，后續深度(h2)可以在式(3)中定義。

h2=s+D+hc

(3)

式中：h2為后續深度，cm；s為臺階深度，cm；D為底檻高度，cm；hc為端檻上的臨界水深(Fr=1)，cm。

1.2 基于K-R方法的消力池設計

在K-R方法中應用動量守恒定理及能量方程如式(4)和式(5)，以計算ISB的后續深度與出口高度的比值y和相對能量損失REL。該等式的輸出可以作為確定ISB最佳設計的可靠準則之一。

(4)

(5)

1.3 阿勒泰防洪壩和消力池

阿勒泰防洪壩設計為額爾齊斯河100 a一遇的可能流量(Q洪峰=640 m3/s)，并安裝了兩個無閘門底部出口(3.4 m×4.4 m×2個)和溢流溢洪道。為了消散能量，設計了一個帶有端檻(D=3 m)的傳統水躍式消力池，其中安裝了兩個狹縫，用于從消力池中進行自泥沙沖洗，如圖1所示。此消力池的設計非常接近所提出的ISB概念；因為阿勒泰防洪壩的河床高度比其底部出口的高度低4 m，在該底部出口處形成了一個水池。但是，阿勒泰防洪壩設計和地下消力池概念之間有3個主要區別：(1)阿勒泰防洪壩的底部出口通過坡道與消力池連接(而不是突然下降)。(2)在阿勒泰防洪壩的下游端有一個端檻，而在地下消力池概念中打算消除該端檻。(3)與阿勒泰防洪壩設計相反，地下消力池概念中下游區域的原始河床高程將與其底部出口齊平。值得一提的是，消力池的寬度是根據下游河道的寬度(B=30 m)進行設計的。

圖1 阿勒泰FMD底部出口及消力池

2 結果與討論

在本節中，通過實施K-R的方法，提出了阿勒泰消力池的新設計。消力池的新設計考慮了100 a一遇的洪峰(Q洪峰=640 m3/s)通過一個底部出口，而不是兩個底部出口。本文研究了幾種情況，包括消力池的不同幾何形狀以及35 a、50 a、75 a和100 a四個洪峰重現期的不同出口尺寸。為了重新設計消力池，使用式(4)計算y(h2/h0)的比值。然后，通過將h2代入式(3)中，獲得D。式(5)預測的REL和D是評估設計的兩個關鍵標準。

圖2顯示了對于不同的消力池幾何形狀，S(s/h0)隨δ(D/B)的變化。如圖2所示，對于給定的消力池幾何形狀和特定的底部出口尺寸，隨著S的增加，δ降低。換句話說，增加s可以降低D，從而促進魚類洄游。相比之下，較大的S會略微減少消力池的能量耗散，可以忽略不計。在所有情況下的ISB概念中，相對能量損失(REL)的值幾乎相同，其平均值等于55%。對于圖2中給定的S，當b>h0(水平矩形)時，δ最低。

圖2 不同消力池幾何形狀和不同底部出口尺寸的S隨δ的變化

另一方面，當b

表1 原消力池設計與本研究中提出的新消力池設計之間的比較

圖3顯示了在ISB的幾何形狀和底部出口的尺寸不變時，不同洪水重現期(不同的Fr1)的S隨δ的變化。如圖所示，對于給定的S，需要更大的端檻高度才能獲得更大的Fr1。顯然，如何縮短洪水重現期以確保較小的D在設計標準中起著關鍵作用。如上所述，K-R方法可能是唯一考慮ISB概念的研究。然而，所提出的方程不能直接用于設計目的，主要是因為其沒有嘗試預測水躍長度。

圖3 不同消力池幾何形狀和不同底部出口尺寸的S隨REL的變化

3 結 論

本文利用K-R方法對阿勒泰防洪壩的消力池進行了重新設計，即地下消力池代替原消力池。結果發現：(1)增加S并安裝更寬的底部出口(水平矩形，b>h0)，可以顯著降低D。(2)重新設計的地下消力池可以使能量消耗增加了2.5倍，D降低25%。(3)洪水重現期可以作為主要的設計標準之一，因此，短期洪水重現期可以降低D。

考慮到地下消力池的環保特性和該概念中的未知因素，需要進一步研究，以提出新的消力池設計準則。可以從以下幾點進行研究：(1)確定大范圍底部出口和消力池尺寸對地下消力池內流型的影響。(2)安裝一些單獨的橋墩(圓柱形擋板)，而不是端檻，以消除對魚類和沉積物通道的阻礙。(3)考慮在主底部出口上方增設出口，形成瀑布進入消力池，以打破水力跳躍并耗散流動能量。