李繼聰，王麗杰

（1.河北省水利工程局，石家莊050021；2.河海大學水電學院，南京210098）

目前，水利工程中高水頭、大單寬流量工程的消能方式一般采用挑流消能，但是挑流泄洪消能時產(chǎn)生的霧化等環(huán)境問題較為嚴重。底流消能以其泄洪霧化影響小、入池流態(tài)穩(wěn)定、效能率高等優(yōu)點，常常在中低水頭工程中被采用。但對于高水頭、大單寬流量的水利工程，底流消能消力池底板臨底流速較大、抗沖磨保護難度大［1］，因此在工程應用中受限。

跌坎型底流消能工是1種能適應高水頭、大流量的新型消能工，已成為近年來國內(nèi)外水利工作者主要的研究課題之一。它利用水流流出跌坎后在消力池內(nèi)形成的旋滾和強剪切紊動進行消能，相對于常規(guī)底流消能工能有效降低消力池臨底流速等水力學參數(shù)，有較廣的應用前景。但目前國內(nèi)缺乏對底流消能的跌坎型消能工水力特性的研究，特別是消力池中特征流速及分布等［2］。本文結(jié)合某大型水電站溢流壩消力池型式為研究對象，通過系列模型試驗進行對比研究，試驗結(jié)果表明，將跌坎式底流消能工應用于高水頭、大流量工程是合理可行的。

1 研究方法及實驗方案

試驗研究基于大比尺物理模型，采取表、中雙層泄水孔斷面模型，根據(jù)重力相似準則設計，模型幾何比尺為1∶60，其中表孔取一個整孔和兩個半孔，中孔對應取兩個整孔。試驗在玻璃水槽中進行，水槽寬80cm，相當于原型48m。模型模擬范圍：溢流壩、消力池、尾坎、海墁、明渠部分，全長30m，上游水尺設在樁號0+15附近，下游水尺設在樁號0+1200附近。

該水電站在可行性研究階段針對其消能工的選擇進行了大量的水工模型試驗，主要有3類，即經(jīng)典消力池、寬尾墩+消力池聯(lián)合消能工、跌坎型底流消力池，見表1。

表1 試驗方案對比

2 試驗結(jié)果對比

2.1 流速

表孔中心線沿水流方向布置流速測點，通過模型試驗觀測，獲得各方案下流速值，見表2、圖1。

表2 各方案最大臨底流速對比

圖1 各方案臨底流速對比

成果表明，在校核工況（表中聯(lián)合敞泄總流量57030m3/s，H上=248.37m，H下=164.73m）條件下，方案1表孔入池底部流速為40m/s，尾坎前流速分布基本上是底部最大。樁號0+137.4斷面底部最大流速為41.98m/s，樁號0+264斷面底部最大流速為15.78m/s；樁號0+276斷面底部最大流速為14.17m/s，消力池內(nèi)入池流速遠遠超過20m/s，將嚴重危及底板的安全，需進一步優(yōu)化。方案2加寬尾墩后由于形成三元溢流水舌，水舌出閘室后，各孔水流形成各自獨立的窄而高的收縮射流，水舌增加了水與空氣的接觸面，使消能效果增加，流速明顯減小，最大流速為8.90m/s，消力池內(nèi)底部流速均較小，且呈表大底小分布。方案3增加跌坎后最大垂線流速為22.91m/s，坎前斷面最大流速為2.24m/s，坎后斷面底部最大流速為2.14m/s，其他斷面的垂線平均流速均在6～9m/s。整體垂線流速均呈表大底小分布，這是由于在消力池中保持一定的水體，利用與下游消力池底板具有一定高差的射流進入消能水體的中間，使得下泄水流的主流在消力池水體中部流動、擴散、消能。

2.2 水流流態(tài)

在校核工況（表中聯(lián)合敞泄總流量57030m3/s，H上=248.37m，H下=164.73m）條件下，方案1消力池內(nèi)水躍躍首位于樁號0+174～0+184，為遠驅(qū)式水躍，躍尾出消力池。所需的消力池池長較長，中孔挑流入水點位于樁號0+192，水舌外緣最高點位于樁號0+136，高程159m，水舌厚21.6m，寬24m。由于相鄰兩表孔水流在閘墩尾處擴散交匯，在樁號0+132處產(chǎn)生強烈的水翅。尾坎后有二次水躍產(chǎn)生。方案2增加寬尾墩后，由于閘墩對水流的束窄作用使閘上水流由壩面薄層二元水流變?yōu)槿?，并產(chǎn)生水翅。由過堰二維水流在寬尾墩后沖擊波交匯點處形成水翅，水翅起點樁號0+48附近，水翅最高點位于0+60，水翅落點在樁號0+125～0+132之間。水翅大部分時間在兩側(cè)導墻中間，水冠頂部偶爾擊打右側(cè)導墻頂部，水翅間歇左右擺動，擊打兩側(cè)導墻頂部，水花四處飛濺。消力池內(nèi)水躍躍首位于樁號0+84～0+93，為淹沒水躍，躍尾未出消力池。中孔挑射水流落入消力池內(nèi)的水躍區(qū)，水流摻氣，劇烈翻滾，水面上下波動。方案3將消力池底板向下開挖形成跌坎后，消力池內(nèi)水躍躍首位于樁號0+90～0+96，躍尾位于0+252～0+264之間，為稍淹沒水躍，躍尾未出消力池，表孔后跌坎下形成順時針橫軸漩渦，流態(tài)較為復雜，消能效果較好。中孔挑流外緣入水點位于0+162～0+168，落點附近水面翻滾劇烈，落點后縱向擴散，兩側(cè)表層水流為回流。消力池前部水面波動較大，后部較平穩(wěn)，樁號0+260后水流較為平順。

2.3 時均壓力

下泄各流量工況下，在中孔及消力池沿程布置壓力測點，量測了中孔及消力池沿程，表孔壩面及消力池沿程時均壓力值。本文中由于篇幅有限，僅僅給出了表孔及消力池沿程的壓力值。實驗成果表明：方案1在校核工況表中聯(lián)泄57030m3/s時，表孔壩面WES曲線段6#，8#，12#測點處出現(xiàn)負壓，最大值出現(xiàn)在12#測點為－2.41×9.81kPa。壩面直線19#測點處也出現(xiàn)負壓為－0.30×9.81kPa，表孔尾部處壓力增大。方案2及方案3在校核工況表中聯(lián)泄57030m3/s時，表孔沿程的時均壓力分布規(guī)律類似于方案1，僅僅在表孔壩面WES曲線段出現(xiàn)負壓，這是正?，F(xiàn)象，而且還可以增大泄流能力。各個方案下消力池內(nèi)均無負壓出現(xiàn)，且分布比較平穩(wěn)變化較緩，無局部壓力峰值。

各方案下消力池前部均有壓力突然升高的現(xiàn)象，但是有跌坎時壓力增大的程度較小。消力池內(nèi)部壓力分布規(guī)律都較好，無明顯的壓力梯度。整體來看，3種方案下，表孔壩面及消力池沿程時均壓力分布規(guī)律較好，WES曲線段出現(xiàn)小負壓，為正?，F(xiàn)象，隨后的直線段也出現(xiàn)負壓，對泄水建筑物不利，必要時需考慮設置摻氣設施。

2.4 脈動壓力

本次試驗針對方案3 在校核工況表中聯(lián)泄57030m3/s時，采用脈動壓力傳感器測量了消力池底板的脈動壓力值，脈動壓力均方根最大值為8.63×9.81kPa（2#表孔中心線），分布規(guī)律符合要求，并且消力池底板上水流的紊動強度沿流程逐漸衰減，詳見圖2。躍首躍尾主頻較低，旋滾區(qū)主頻較高約13.62Hz。

圖2 方案3表孔中心線脈動壓力值

3 結(jié)果分析

各方案的表孔壩面的時均壓力分布規(guī)律都符合要求，除壩面WES曲線段小部分外均無負壓出現(xiàn)，這部分負壓的出現(xiàn)屬正常現(xiàn)象，還可以增大該溢流壩的泄流能力。各方案整個消力池內(nèi)的時均壓力變化平緩，無局部峰值，壓力沿水流方向逐漸增加，即隨樁號沿程呈前低后高的規(guī)律。當表孔出口加寬尾墩時，臨底流速大大減小，但寬尾墩后形成的水翅會不同程度地擊打兩側(cè)側(cè)墻，危及側(cè)墻安全，此現(xiàn)象在這一工程中無法從根本上消除。若取消寬尾墩，則消力池內(nèi)的消能效果較差，且其入池水流流速超過40m3/s，造成對消力池底板的沖刷和破壞，將嚴重危及消力池底板的安全。方案3借鑒了前蘇聯(lián)薩揚舒申斯克水電站消力池的底板修復經(jīng)驗，在消力池進口處將消力池底板向下開挖形成跌坎，構(gòu)成跌坎消力池后，消力池內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，霧化影響小，臨底流速衰減較快也得到有效的改善，入池水體相互摻混，消能效果較佳。另外，本次模型試驗還測量了方案3在校核工況表中聯(lián)泄57030m3/s時消力池底板的脈動壓力，脈動壓力均方根最大值為8.63×9.81kPa（2#表孔中心線），且沿流程逐漸減小。綜合比較后，最終推薦采用方案3。

4 消能機理

跌坎式底流消能工是一種新型的消能工，目前這種消能工已在國內(nèi)外很多工程中得到應用［3］。在跌坎式底流消能的消力池中，不像常規(guī)的底流消能工那樣，水流出坎以后，主流是以附壁式射流運動，水體在池中受到底板的約束而不能向四周擴散，主流所受到的剪切面積小，形成淹沒射流，主流向四周擴散。流體射入到消力池中靜止水體中與周圍靜止水體之間發(fā)生強烈的剪切作用，形成了速度不連續(xù)間斷面，流速間斷面是不穩(wěn)定的，必然會產(chǎn)生波動，并發(fā)展形成紊動旋渦，從而主流在射流四周形成強烈的紊動漩渦，消能效果很好，消力池內(nèi)水面比較平穩(wěn)，出池水面波動?。?］。由于跌坎的存在，相應增加了有效水體，進而使各項水力學參數(shù)得到了明顯降低。

5 結(jié)語

跌坎式底流消能方式既不會產(chǎn)生大的霧化，又可以消除下泄水流的大部分能量，消能效果好，既不會使消力池底板脈動壓力大、臨底流速大，以免消力池底板不穩(wěn)定和底板磨損，又不會產(chǎn)生面流，以免下游水流波動大，影響通航和加劇對下游兩岸的沖刷，可以應用于高水頭、大流量工程中，在水電工程中具有很大的應用前景。

［1］孫雙科，柳海濤，夏慶福，等.跌坎型底流消力池的水力特性與優(yōu)化研究［J］.水利學報，2005，36（10）.

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［3］長江科學院.密松水電站表中孔斷面模型試驗報告［R］.2010.

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［5］童顯武，李桂芬.高水頭泄水建筑物收縮式消能工［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

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［8］鄭雪.跌坎型底流消能工的水力設計研究［J］.昆明理工大學學報，2010（1）.