淺析水墊塘消能措施

尹 楊 松

(大唐四川發(fā)電有限公司，四川 成都 610091)

淺析水墊塘消能措施

尹 楊 松

(大唐四川發(fā)電有限公司，四川 成都 610091)

泄水建筑物下泄水流的巨大動能在水墊塘內被消除，防止了下游河床發(fā)生嚴重的沖刷破壞，避免了惡劣的流態(tài)，實現(xiàn)了水位平順銜接，保障了工程安全。對水墊塘內的水流流態(tài)、擴散規(guī)律進行了闡述，可為水墊塘的設計和運行提供參考。

水墊塘；消能；水流流態(tài)； 擴散規(guī)律

我國的高壩工程大多修建在西南高山峽谷地區(qū)，具有落差高、泄洪流量大、泄洪功率高和壩區(qū)河谷狹窄的特點。高壩下泄水流的巨大動能在狹窄的河道內易引起下游河床的嚴重沖刷破壞，進而危及大壩安全。其常常在壩址下游以二道壩壅水形成水墊塘，承接壩身泄洪孔口跌落的水舌，在水墊塘中進行消能，從而避免了惡劣流態(tài)，亦使下泄水流與下游平順銜接。由于水墊塘水體的緩沖作用，有效地減輕了底板的沖擊壓力，如二灘、錦屏一級水電站等工程均采用了水墊塘+二道壩的方式。根據(jù)水墊塘底板的剖面形狀，可將其分為兩類[1、2]：平底水墊塘和反拱水墊塘。平底水墊塘是最常規(guī)的消力池布置型式，具有體型簡單，易于施工等優(yōu)點。反拱水墊塘利用反拱的作用抵抗底板上的動水壓力和浮托力，依靠拱座的穩(wěn)定保持水墊塘底板的自身穩(wěn)定。

1 水墊塘內的流態(tài)

水墊塘內的流態(tài)特征與射流的入水初流速、入水角度、下游水墊塘的水深以及射流形狀等因素有關。在泄流條件不發(fā)生改變的情況下，不同的水墊深度或改變射流入水角度時，水墊塘內的流態(tài)可以表現(xiàn)為：①自由沖擊射流；②淹沒沖擊射流；③面流[3]。

(1)自由沖擊射流。當水墊塘內的水墊深度較淺(或無水)時，下泄的高速射流水舌幾乎得不到淹沒緩沖而呈現(xiàn)出遠驅式水躍，如圖1(a)所示。該狀態(tài)時，高速射流水舌直沖水墊塘底板，巨大的動能轉化為壓能，導致底板承受很強的沖擊壓力。水墊塘底板在沖擊壓力的作用下容易造成失穩(wěn)或止水破壞，塘內流態(tài)劇烈變化，對水墊塘的安全運行產生了很大影響。因此，在水墊塘設計和運行中，必須保證足夠的水墊深度，以避免出現(xiàn)自由沖擊射流這種不良流態(tài)。

(a) 自由沖擊射流 (b) 淹沒沖擊射流 (c) 面流流態(tài)圖1 水墊塘內的流態(tài)圖

(2)淹沒沖擊射流。當下游水墊深度大于臨界水深時，射流水舌受到水墊的頂托作用，射流主體將被水墊塘內的水體淹沒包圍，形成淹沒沖擊射流流態(tài)，如圖1(b)所示。這時，水墊塘內為斜向淹沒沖擊射流與淹沒水躍(壁射流)的混合流態(tài)，射流水舌入水墊塘后，沿射流主體方向可以分為三個不同特點的子區(qū)域，即：淹沒射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁射流區(qū)。在淹沒射流區(qū)時，主流近似被認為按照線性規(guī)律擴散，其時均速度沿流程逐漸衰減；在沖擊區(qū)時，主流受到底板阻擋而發(fā)生轉向，流線急劇彎曲，速度出現(xiàn)一個駐點，動能轉化為壓能，巨大的沖擊動壓作用在水墊塘底板上，該區(qū)域具有沖擊射流的特征，底板失穩(wěn)破壞主要發(fā)生在此處；在壁射流區(qū)時，主流轉向后貼著底板向前運動，受周圍水體擠壓剪切作用沿程發(fā)生擴散并向上躍起，在水墊塘表層水體產生大尺度的翻滾和漩渦，類似于淹沒水躍。淹沒沖擊射流這種流態(tài)是水墊塘設計上需要的，因為其充分利用了水墊塘的水深，能有效減弱水舌沖擊動壓，單位水體的消能效率高，下泄流量出二道壩后流態(tài)平穩(wěn)，進而實現(xiàn)了上下游水流的平順銜接。

(3)面流。當下游水深進一步增加，或射流入水角度變得較小時，射流水舌將很少射入水墊塘內部水體，而是直接沖擊表層水體，形成表面水躍，稱為面流流態(tài)，如圖1(c)所示。這種流態(tài)會在水墊塘內形成巨大的涌浪，水面劇烈波動，大部分能量均溢出二道壩，使水墊塘失去原有的消能作用，并且可能會造成兩岸邊坡的沖刷。因此，面流流態(tài)也是應該避免出現(xiàn)的不良流態(tài)。

2 水墊塘內的水流擴散規(guī)律

高壩下泄水流進入河道時主要表現(xiàn)為射流流態(tài)。Mason[4]等探討了射流入水厚度與水下擴散距離對沖刷坑深度的影響；Francis[5]則利用河流動力學原理進一步研究了壁面射流區(qū)的壓力和速度變化，以及對河床沖刷的影響；Becker[6]等從微觀角度測量了紊動射流的特性，得出大部分物理量沿射流分布存在良好自模性的結論。在設置水墊塘后，塘內的流態(tài)主要為淹沒沖擊射流，下泄水舌入水墊塘后，射流主體受周圍靜止水體包裹，兩者間存在一個速度突變的間斷面。在間斷面上，靜止水體與高速射流之間發(fā)生強烈的摩擦、剪切，靜止水體將失去穩(wěn)定而產生渦旋，渦旋卷吸周圍水體，射流的流量沿流程逐漸增大，流速不斷減小，但由于水墊深度有限，水墊塘底板仍會產生壓力沖擊區(qū)。因此，射流在水墊塘內的擴散和衰減規(guī)律對指導水墊塘消能設計十分重要。

對于射流流速的擴散規(guī)律，前蘇聯(lián)學者通過實驗研究了射流在有限深度水墊塘內的擴散，發(fā)現(xiàn)射流沿程按照直線規(guī)律擴散，并給出了射流沿寬度方向上的變化規(guī)律。在不受水墊塘深度因素制約下，射流入水速度u0和射流中心流速um間的比值u0/um與流程S保持著良好的線性關系。余常紹[7]通過試驗證實了該線性關系(式1)，并給出了射流擴散寬度計算式(式2～3)：

(1)

(2)

(3)

式中b0為射流初始寬度；b為射流沿程的全斷面寬度；α為紊動擴散系數(shù)，α=0.067。

同時，日本學者安蕓周一將最大時均壓強轉換為最大流速，也認為流速與流程間存在良好的線性關系， 流速沿流程按照式(4)的曲線規(guī)律衰減。

(4)

式中K為擴散系數(shù)，安蕓周一建議取2.52。

以上均是由理論或試驗得出的單股射流在水墊塘內的擴散規(guī)律。在實際工程中，特別是高拱壩工程采用壩身孔口分層多股出流，水墊塘內呈現(xiàn)為復雜的多股三元淹沒射流流態(tài)，單股射流擴散規(guī)律必然需要進行一定的修正，劉沛清[8]通過整理、分析二灘和小灣等工程的相關資料，得出水墊塘底板沖擊壓強的計算公式：

(5)

式中 q為射流單寬流量；H為上下游水位差；H1為水墊塘內的水墊深度；β為射流入水角度。

3 結 語

水墊塘內存在自由沖擊射流、淹沒沖擊射流和面流等水流流態(tài)。自由沖擊射流易造成底板失穩(wěn)或止水破壞，塘內流態(tài)變化劇烈，對水墊塘安全運行產生很大影響；面流在水墊塘內形成巨大的涌浪，水面波動劇烈，大部分能量均溢出二道壩，使水墊塘失去了原有的消能作用，可能會造成兩岸邊坡的沖刷。因此，在水墊塘設計和運行中應避免出現(xiàn)這兩種流態(tài)。

單股沖擊水流在水墊塘內流速與流程按照線性規(guī)律進行擴散，但是，這種規(guī)律僅是從理論或試驗獲得，對于實際工程，應修正單股射流的擴散規(guī)律。

[1] 謝景惠. 高壩樞紐消能防沖方式選擇綜述. 泄水工程與高速水流論文集[M]. 成都: 成都科技大學出版社, 1994.

[2] 張麗花, 張志恒. 高拱壩下游水墊塘體形比選試驗研究[J]. 西北水電,2010,34(3):34-37.

[3] 齊元田. 高拱壩的泄洪消能問題研究[D].河海大學碩士學位論文,2006.

[4]Mason,P.J.andArumugan,K.Freejetscourbelowdamsandflipbuckets.J.Hyd.Engrg.ASCE. 111(2), 1985: 220-235

[5]Francis,J.P.D.andMcCreath,P.S.Bedloadtransportbysubmergedjets.Pore.Nat.AcademyofScience,76(9),1979: 4159-4161.

[6]Becker.H.A.,H.C.HottelandG.C.Williams,Thenozzle-fluidconcentrationfieldoftheroundturbulentfreejet,J.FluidMech.,1967,30: 285-303.

[7] 余常昭. 射流沖刷作用及分散攙氣影響的研究[J]. 水利學報, 1962,6(2):22-36.

[8] 劉沛清, 李福田. 高壩下游水墊塘內典型流態(tài)演變問題探討[J]. 水利學報, 2001, 32(10)：38-43.

(責任編輯：李燕輝)

2016-10-10

TV7;TV31;TV32;TV

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1001-2184(2017)01-0098-02

尹楊松(1981-)，男，安徽當涂人，工程師，碩士，從事水工水力學、水電規(guī)劃發(fā)展和市場營銷工作.