過水圍堰消能平臺水墊池水力試驗(yàn)研究

趙 瓊，陳云良，徐 永，王 波，楊 華

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

采用過水圍堰溢洪的導(dǎo)流方式可減小導(dǎo)流建筑物的規(guī)模，具有降低工程造價(jià)、縮短工期的優(yōu)勢[1]。作為臨時(shí)水工建筑物，土石過水圍堰的抗沖刷能力較弱，溢洪時(shí)一旦堰面、堰腳局部沖開缺口、填充料被掏，極有可能發(fā)生潰堰事故，將嚴(yán)重影響基坑施工、威脅下游安全[2,3]。尋求改善圍堰溢洪水力條件的方法，減輕水流對堰面的沖刷，對保障過水圍堰的度汛安全有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。對土石過水圍堰護(hù)面水力研究方面目前已有不少成果。張微[5]通過土石過水圍堰水工模型試驗(yàn)，研究了混凝土楔形面板上脈動(dòng)壓力的特征。楊磊[6]對土石過水圍堰整體護(hù)面板的脈動(dòng)壓力分布規(guī)律及其特性展開研究，得出現(xiàn)澆混凝土整體護(hù)板上脈動(dòng)壓力分布與坡比、流量、水躍位置的關(guān)系和變化規(guī)律。陳云良[7]采用數(shù)值模擬方法對楔形護(hù)板開展水力研究，給出了跌坎處發(fā)生的回流、旋渦及負(fù)壓等定量成果。

在過水圍堰的背水面設(shè)置消能平臺，使得水流沿堰面斜沖加速后轉(zhuǎn)向，從急流過渡為緩流，即通過水躍與下游銜接，是目前解決過水圍堰消能防沖的主要途徑。謝祥明[8]對兩過水土石圍堰不同破壞程度原因進(jìn)行了分析，提出應(yīng)合理設(shè)計(jì)挑流平臺的高程，以保證挑流平臺躍后高程與下游水面順接，實(shí)現(xiàn)面流消能。潘露[9]通過雙江口水電站土石過水圍堰試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)由于上、下游圍堰相距較遠(yuǎn)，上游圍堰堰腳高程高于下游圍堰堰頂，導(dǎo)致上游圍堰堰腳處水深較淺、基坑水位較低，堰面消能防沖平臺上不能形成面流或水躍消能。楊志雄等[10]在天生橋一級水電站土石過水圍堰設(shè)計(jì)中，將上游圍堰挑流平臺高程較下游圍堰頂高降低2.2 m，保證了平臺過流時(shí)有足夠的水墊深度、實(shí)現(xiàn)面流消能。

由于消能平臺上水流急轉(zhuǎn)向、其底流速較大，消能平臺底板承受的沖擊力和脈動(dòng)壓力均較大。特別在過水圍堰落差較大時(shí)，為實(shí)現(xiàn)水流轉(zhuǎn)向和消能防沖，將會(huì)需要有較長的消能平臺，工程量增加較多，作為臨時(shí)水工建筑物來說不太經(jīng)濟(jì)。因此，尋求改善消能平臺水力條件的方法，對保證過水圍堰溢洪安全具有現(xiàn)實(shí)意義。陳云良[11]結(jié)合工程實(shí)際提出一種用于過水圍堰消能平臺的“水墊池”技術(shù)，并提供了幾何結(jié)構(gòu)的估算方法。在消能平臺上設(shè)置水墊池相當(dāng)于修一個(gè)淺消力池，該技術(shù)施工簡便、工程量小，具有可行性，可以提高圍堰參與溢洪所帶來的顯著經(jīng)濟(jì)效益。

過水圍堰的沖刷一般發(fā)生在上游斜坡、平臺與上游斜坡的交界處，以及平臺下游護(hù)面和堰腳，課題組在專門制作的水工試驗(yàn)裝置上，系統(tǒng)研究了過水圍堰溢洪的水力參數(shù)[12]。本文主要探討設(shè)置水墊池時(shí)消能平臺上的水力特性，并與無水墊池時(shí)進(jìn)行對比分析，為消能平臺水墊池技術(shù)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 水力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 消能平臺水墊池技術(shù)

過水圍堰背水面一般設(shè)置的消能平臺，如圖1中實(shí)線所示， 為消能平臺的長度，一般根據(jù)實(shí)現(xiàn)水躍消能進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合土石過水圍堰溢洪水力特性研究探索，提出在消能平臺前部設(shè)置“水墊池”，如圖1中虛線所示，可實(shí)現(xiàn)過堰水流與下游平穩(wěn)銜接。該項(xiàng)技術(shù)主要涉及兩個(gè)參數(shù)：水墊池長度Ls和水墊池深度hs?；谙芷脚_水躍消能，水墊池長度可按Ls=KsL確定，Ks定義為水墊池長度系數(shù)；結(jié)合工程實(shí)際情況，水墊池深度hs可參考一般消力池池深計(jì)算方法來確定。

圖1 消能平臺水墊池結(jié)構(gòu)Fig.1 The water-cushion pool structure for energy dissipation platform

1.2 試驗(yàn)裝置

采用便于觀察的有機(jī)玻璃制作過水圍堰溢洪系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置見圖2。順?biāo)鞣较蜓唔攲?.10 m，圍堰迎水面坡度為1∶1.5、背水面坡度為1∶3.5；消能平臺總長0.30 m，與堰頂高差為0.15 m；消能平臺下游坡度為1∶1.5，延伸至基坑。消能平臺下預(yù)留水槽，方便設(shè)計(jì)水墊池的各種方案。為保證上游來流均勻平穩(wěn)，在進(jìn)水管后設(shè)置一道穩(wěn)水孔板；為方便控制不同工況時(shí)對應(yīng)的基坑水位，在出水管前設(shè)置擋水板。

設(shè)計(jì)了3個(gè)水墊池方案以及無水墊池方案進(jìn)行水力試驗(yàn)，對比研究過水圍堰溢洪時(shí)消能平臺水力特性的差異。由一般消力池池深公式計(jì)算出水墊池深度h的范圍在0.01～0.03 m，試驗(yàn)中分別設(shè)置hs=0.015和0.030 m，如表1所示。

參照瀾滄江功果橋水電站土石過水圍堰設(shè)計(jì)的5個(gè)典型工況進(jìn)行模型試驗(yàn)，工況①～⑤相應(yīng)單寬流量分別為3.45×10-3、8.15×10-3、18.55×10-3、25.75×10-3、33.15×10-3m3/(s·m)。流速采用旋槳流速儀進(jìn)行測量，消能平臺上的壓力采用測壓管測量。

表1 試驗(yàn)研究方案Tab.1 The schemes of experimental study

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溢洪流態(tài)

圖3為工況③時(shí)消能平臺的溢洪流態(tài)對比照片，可以看出：無水墊池時(shí)，躍首位置在消能平臺中間靠前附近，主流貼底

圖2 過水圍堰試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device of overtopped cofferdam

圖3 消能平臺溢洪流態(tài)(工況③)Fig.3 Flow patterns of energy dissipation platform

板沖入下游護(hù)坡。水墊池方案一時(shí)水流直沖尾坎，水墊池作用不明顯，隨后主流翻滾流出平臺末端、沖入下游護(hù)坡。水墊池方案二時(shí)躍首位于消能平臺進(jìn)口附近，水墊池內(nèi)水流發(fā)生水平旋滾，消能較為充分；受尾坎的頂托作用，主流轉(zhuǎn)向下游水面，與下游基坑平穩(wěn)銜接。

隨著泄洪流量增大、下游基坑水位抬高，無水墊池時(shí)，水躍位置向上游移動(dòng)，水躍由遠(yuǎn)驅(qū)式水躍變?yōu)檠蜎]式，如圖4(a)所示工況⑤。水墊池方案二、方案三時(shí)，水墊池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍，如圖4(b)、4(c)所示工況⑤。

圖4 消能平臺溢洪流態(tài)(工況⑤)Fig.4 Flow patterns of energy dissipation platform

分析認(rèn)為：水墊池的設(shè)置相當(dāng)于增加了水墊深度，特別在下游基坑水位相對較低、消能平臺水深較淺時(shí)，有利于改善消能平臺的消能效果。

2.2 流速分布

表2中列出各方案、不同工況下，圍堰溢洪時(shí)消能平臺進(jìn)、出口水流流速的實(shí)測值。小洪水工況①、②時(shí)，水墊池方案一、二、三消能平臺進(jìn)口流速實(shí)測值分別為0.80～1.05、0.69～0.86、0.75～0.85 m/s，較無水墊池時(shí)的1.22～1.45 m/s明顯減小。隨著溢洪流量增大、平臺水深增加，水墊池作用相對減小，消能平臺進(jìn)口流速與無水墊池差別不大。水墊池方案三、水墊較厚，工況⑤時(shí)平臺進(jìn)口流速相對較小。

消能平臺出口處，不同工況下水墊池方案一、二、三對應(yīng)的流速實(shí)測值范圍分別是0.21～1.21、0.19～0.74、0.26～0.70 m/s，與無水墊池時(shí)的0.85～1.33 m/s相比，均有所降低。工況⑤時(shí)，水墊池方案二、三消能平臺出口流速不超過0.70 m/s，明顯小于無水墊池時(shí)的1.31 m/s；水墊池方案一池長相對較短，下泄水流直沖尾坎、翻滾出平臺，出口流速為1.21 m/s。

分析認(rèn)為：水墊池方案一時(shí)長度不足，水墊效果不理想。水墊池方案二、三消能平臺出口流速較無水墊池時(shí)明顯降低，可減輕水流對下游堰腳的沖刷破壞，增強(qiáng)圍堰的過流穩(wěn)定性。

表2 消能平臺進(jìn)、出口流速對比 m/s

2.3 壓力特性

過水圍堰消能平臺底板承受水流轉(zhuǎn)向的沖擊力，壓力特性對圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要。圖5給出了各方案、不同工況下消能平臺底板壓力分布的實(shí)測結(jié)果。圖5中相對壓力由公式(P/ρg)Δh算出，其中P/ρg為測壓管水頭，Δh為堰頂與消能平臺的高差，取0.15 m。表明：① 無水墊池時(shí)消能平臺進(jìn)口處，由于水流轉(zhuǎn)向壓力出現(xiàn)峰值，之后略有減小，在平臺出口附近隨著基坑水位增高壓力又逐漸增大。②與無水墊池時(shí)壓力峰值出現(xiàn)在消能平臺進(jìn)口附近不同，受水墊池尾坎的頂托作用，底板壓力峰值出現(xiàn)在尾坎附近、隨后降低，與一般消力池的壓力分布類似。③水墊池的設(shè)置相當(dāng)于增加了平臺上的水墊深度，可以緩解平臺進(jìn)口的沖擊力，改善底板的受力條件。

圖5 各方案下消能平臺底板壓力分布Fig.5 Distribution of floor pressure of energy dissipation platform under different schemes

2.4 消能率

根據(jù)水力實(shí)測結(jié)果，以消能平臺底板為基準(zhǔn)，選取圍堰上游和消能平臺出口兩個(gè)斷面進(jìn)行消能率計(jì)算。圖6給出了各方案下過水圍堰消能率隨下泄流量的變化。工況①時(shí)，各水墊池方案的消能率在82.68%～83.81%，與無水墊池時(shí)的77.54%相差不大。工況②～⑤時(shí)，水墊池方案二、三的消能率在50.84%～78.42%，較無水墊池時(shí)的33.89%～62.15%、改善較為明顯。水墊池方案一、工況⑤時(shí)，水墊池作用不理想、消能率為30.63%，小于無水墊池時(shí)的35.55%，總體來說，水墊池方案二、方案三的消能效果較好。

圖6 各方案下消能平臺消能率Fig.6 The energy dissipation rate of energy dissipation platform under different schemes

3 結(jié) 語

在消能平臺上游斜坡常采用混凝土面板，包括：平護(hù)板、楔形護(hù)板等，作為土石過水圍堰的溢洪護(hù)面；鉛絲籠(鋼筋石籠)多用于平臺下游堰腳的防護(hù)；水墊池設(shè)置在消能平臺上，各個(gè)保護(hù)措施應(yīng)用的位置和作用不一樣。消能平臺是土石過水圍堰實(shí)現(xiàn)消能防沖的關(guān)鍵，其水力學(xué)問題的研究具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

本文利用水力試驗(yàn)的方法，對消能平臺上有、無水墊池時(shí)的水力特性進(jìn)行對比分析，研究表明：

(1)水墊池的設(shè)置相當(dāng)于增加了水墊深度，特別在下游基坑水位相對較低、消能平臺水深較淺時(shí)，有利于改善消能平臺的消能效果。

(2)設(shè)置水墊池時(shí)消能平臺出口流速較無水墊池時(shí)明顯降低，可減輕水流對下游護(hù)面、堰腳的沖刷破壞。

(3)無水墊池時(shí)底板壓力峰值出現(xiàn)在消能平臺進(jìn)口附近，設(shè)有水墊池時(shí)底板壓力峰值出現(xiàn)在尾坎附近，可緩解消能平臺進(jìn)口的沖擊力、改善底板的受力條件。

(4)依據(jù)水躍消能設(shè)計(jì)消能平臺長度L、確定水墊池長度Ls=KsL，水墊池長度系數(shù)Ks可取0.6～0.8；水墊池深度hs可參考一般消力池池深計(jì)算方法估算。具體應(yīng)用消能平臺水墊池時(shí)，可結(jié)合過水圍堰工程實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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