跌坎型底流消能工跌坎深度在工程優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

楊宇　張家明　陳維亮

摘要：以某工程導(dǎo)流泄洪隧洞底流消能工為試驗研究對象，原方案試驗中，在閘門半開工況下，下泄水流出現(xiàn)脫離泄槽底板現(xiàn)象，不利于下泄水流的消能，經(jīng)研究，改變壓坡段底板坡度，同時將泄槽的兩個坡段改成一個坡段；原方案底流消能工消力池內(nèi)均發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，消能效果差，通過研究采用以最大臨底流速為控制目標(biāo)的最小跌坎深度計算公式，確定消力池底板高程。經(jīng)兩次優(yōu)化試驗后，消除了閘后水流脫離泄槽底板的現(xiàn)象，下泄水流流態(tài)穩(wěn)定，消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的淹沒水躍消能，出池水流與下游水流銜接較好，消力池內(nèi)臨底流速和時均動水壓強均明顯降低，消能效果好。

關(guān)鍵詞：跌坎型底流消能工；跌坎深度；臨底流速；消能效果；水力學(xué)試驗

中圖分類號：TV653 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0170-06

跌坎型底流消能工是一種適用于高水頭、大單寬流量消能的新型消能工。它是在常規(guī)底流消能的泄槽末端將底板豎直向下開挖形成適當(dāng)高度的跌坎而形成的。如圖1所示，由于跌坎的存在，消力池前端形成一定厚度的水墊，不僅增大了入射水流的射程，而且增加了下泄水流的消能水體。根據(jù)紊動射流衰減規(guī)律，主流流速沿程減小；水流進(jìn)入消力池后形成淹沒射流，主流附近形成漩渦與消力池內(nèi)的水體發(fā)生強烈的紊動、剪切、摻混作用。因此跌坎有效降低了消力池內(nèi)的臨底流速，時均動水壓強等水力學(xué)指標(biāo)。與傳統(tǒng)的底流消能相比，跌坎型底流消能工提高了消能效率，消力池內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定，有效解決消力池底板抗沖保護(hù)難度大的問題，擴(kuò)大了底流消能工的工程應(yīng)用范圍。跌坎深度直接影響消力池內(nèi)水流流態(tài)，臨底流速及消能率，因此，選擇一個合適的跌坎深度是確定消力池體型的關(guān)鍵所在。

1工程概況

某水庫位于云南省永仁縣。水庫壩址距離永仁縣城53 km。水庫最大壩高為95 m，正常蓄水位為1846 m，總庫容為2 391.5萬m³。水庫工程規(guī)模屬中型，工程等別為O等。工程由水庫樞紐、引水工程及輸水工程組成，水庫樞紐主要由攔河壩、溢洪道、輸水泄洪放空隧洞組成。輸水泄洪放空隧洞布置于左岸，采用“龍?zhí)ь^”和導(dǎo)流隧洞結(jié)合而成，輸水泄洪放空隧洞進(jìn)口底板高程為1 801.30 m，全長456.18m，其中洞身段長357.68 m，與導(dǎo)流洞結(jié)合段長230.3 m。輸水泄洪放空隧洞為有壓洞，洞身為直徑3.0 m的圓形斷面，出口段設(shè)工作閘室，設(shè)1道2.5 m×2.5 m弧形工作閘門控制泄洪，設(shè)計消力池長38 m，池寬8 m，邊墻項部高程為1 756.78 m，底板高程為1750.78 m。原隧洞出口及消能段縱剖面圖和平面圖見圖2、圖3。2試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗?zāi)Ｐ桶凑罩亓ο嗨茰?zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計，并滿足阻力相似要求，模型比尺為1：40。試驗?zāi)Ｐ陀伤畮?、溢洪道，泄洪隧洞、消力池、尾水護(hù)坦段及下游河道組成，泄洪隧洞和消力池均采用8 mm厚透明有機(jī)玻璃制作而成，消力池尾水護(hù)坦段采用水泥砂漿抹面，用動床料模擬下游河床，在消力池底板上沿程安裝測壓管。模型試驗工況共7個：P=0.1%，P=0.5%，P=2%，P=3.33%，P=5%，P=10%，P=20%，選取特征工況作為分析對象，如表1所示，設(shè)計（P=2%）、消能防沖（P=3.33%）以及閘門半開（P=20%）這三種工況。

3原方案存在的問題及解決思路

3.1原方案存在的問題

工況3進(jìn)行試驗時發(fā)現(xiàn)：閘后下泄水流脫離泄槽底板，沖擊消力池底板，極易引發(fā)沖刷破壞，進(jìn)而誘發(fā)空蝕破壞；入池水流流態(tài)不穩(wěn)定，消能效果差。

原方案為底流消能，試驗發(fā)現(xiàn)各工況下消力池內(nèi)均發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，水流流態(tài)不穩(wěn)定，臨底流速較大，消能效果差，對下游河床有較大的沖刷。

3.2原方案問題解決的思路

工況3為閘門半開，若為理想水體，則閘前閘后水流流線呈對稱分布。實際水體具有黏滯性，出閘水流流線有向上的趨勢，形成脫離泄槽底板的水流，不利于消力池消能。需改變出閘水流的方向以消除水流流線向上，使水流貼底板下泄，同時對泄槽段進(jìn)行優(yōu)化，使入池水流平順。

發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍是由于消力池內(nèi)消能水體不足，因此必須優(yōu)化消力池體型以增加消能水體方能提高消能效果、降低消力池出池流速、避免下游河床受到?jīng)_刷破壞。

3.3原方案問題之一的解決措施

針對閘門半開時下泄水流出現(xiàn)脫離泄槽底板現(xiàn)象，在不影響控制段過流能力的條件下，改變壓坡段底板坡度，與壓坡段頂板坡度保持一致，為1：6.5；將泄槽的兩個坡段改成一個坡段，坡度為1：6.97。隧洞出口與泄槽段縱剖面圖和平面圖如圖4、圖5所示。壓坡段底板改變了出閘水流的方向，消除了水流泄洪段脫離底板現(xiàn)象，坡段的改變使入池水流平順，有利于消力池消能。

3.4原方案問題之二的解決措施

原方案問題之一解決后，試驗發(fā)現(xiàn)各工況下消力池內(nèi)仍出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。為了避免消力池內(nèi)出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，以減輕對底板的沖刷，必須加大池內(nèi)水深，使入池水流形成淹沒底流流態(tài)。跌坎深度直接影響消力池內(nèi)的水流流態(tài)、臨底流速、時均動水壓強、消能率等水力學(xué)指標(biāo)。跌坎深度過小，主流的射程縮短，相應(yīng)的臨底流速會增大，消能效果不佳，且消力池中沖擊區(qū)會存在強烈的漩滾，對消力池的安全穩(wěn)定不利；跌坎深度過大，一方面工程造價會提高，另一方面雖然降低了臨底流速和脈動壓強，但是消力池內(nèi)容易形成淹沒混合流，高速水流不再臨底，而是出現(xiàn)在消力池水體的中上層，使得表面流速大，波動大，消能效果差，出池余能也較大。因此選擇一個合適的跌坎深度是設(shè)計消力池至關(guān)重要的因素。根據(jù)紊動射流理論，研究得到以最大臨底流速為控制目標(biāo)的最小跌坎深度計算公式如下。

如圖6所示的幾何關(guān)系：

為確定射流擴(kuò)散系數(shù)和射流擴(kuò)散角，采用水力學(xué)試驗的方法，對跌坎型底流消力池進(jìn)行試驗，分別測量了入池角度為15°、30°、45°及跌坎深度分別為6、8、10 cm等21個工況下的下泄流量及水頭、入池水深、流速、特征斷面流速和底板壓力分布。通過式（3）計算射流擴(kuò)散系數(shù)和射流擴(kuò)散角，然后對計算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均。初步計算得σ=2.99和θ₂=12.06°，選取其中13個工況進(jìn)行驗證分析，各工況下最小跌坎深度理論值與實際坎深的比較見表2。

由表2可知，最大相對誤差為5%，說明最小跌坎深度理論值與試驗值具有良好的吻合性。工程消力池底板采用C35鋼筋混凝土襯砌，根據(jù)《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》，在通過的流速小于15 m/s的消力池，宜采用C35、C40的混凝土。基于此，運用以最大臨底流速為控制目標(biāo)的最小跌坎深度公式，計算得坎深為3 m。工況二，入池角度8.2°，坎深3 m，入池流量為121.4 m³/s，實測入池流速為28 38 m/s，實測入池水深為3.2 m，消力池內(nèi)實測最大臨底流速為12.34 m/s，用該方法計算得最大臨底流速為12.40 m/s，說明該方法具有較強的可靠性。在原方案的基礎(chǔ)上將消力池底板高程整體降低3 m，各試驗工況下消力池內(nèi)均發(fā)生淹沒水躍，臨底流速明顯降低，出池水流穩(wěn)定，消能效果好。因此最終隧洞出口及消能段縱剖面圖和平面圖分別如圖7、圖8所示。

4試驗結(jié)果分析

4.1水面線

水面線測點沿隧洞出口及消能段中軸線布置，各試驗工況下測得特征點處的水面線高度沿程變化趨勢如圖9所示。各工況下泄槽段（里程370 m至399 m）水流流態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)下泄水流脫離泄槽底板現(xiàn)象；消力池內(nèi)（里程399 m至437 m）均發(fā)生淹沒水躍，水面線先壅高后降低，出池水流流態(tài)穩(wěn)定。

4.2流速與混凝土強度

各試驗工況下消力池內(nèi)實測最大臨底流速分布如表3所示。根據(jù)《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》，在含沙量小于或等于2 kg/m³情況下，通過的流速大于25 m/s的消力池底板，宜采用強度等級為C40及以上的混凝土；通過的流速在小于15 m/s范圍內(nèi)，C35的混凝土即滿足要求。在消能防沖工況下（工況2）原方案消力池內(nèi)最大臨底流速為26.0 m/s，優(yōu)化方案中消力池內(nèi)最大臨底流速為12.34 m/s，可知消力池設(shè)置跌坎后下泄水流能量得到充分耗散，底流速極大衰減，從而降低了對混凝土的強度要求。

4.3時均動水壓強

沿消力池底板中軸線布置7個壓力測點，測得各試驗工況下消力池底板時均動水壓強沿程變化趨勢如圖10所示。各工況下時均動水壓強變化趨勢一致，先急劇增加，后減小到最小值再緩慢增加，這是由于入射主流到達(dá)消力池底板的過程中，主流軸線最大流速極度衰減，一部分動能轉(zhuǎn)化為消力池底板上的壓能，導(dǎo)致沖擊區(qū)底板時均動水壓強急劇增大；由于跌坎的存在，增加了消力池內(nèi)的消能水體，增大了入射水流的射程，主流流速沿程衰減，在沖擊與附壁射流交界區(qū)域主流射向底板發(fā)生轉(zhuǎn)向，主流再附后形成淹沒水躍，淹沒系數(shù)變大，時均動水壓強減小；在附壁射流區(qū)呈現(xiàn)流速降低，水深增加，時均動水壓強緩慢遞增。

5結(jié)論

本文以某工程為例，研究了在高水頭條件下，跌坎型底流消能工跌坎深度在工程優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用問題。通過優(yōu)化隧洞出口段和消能段穩(wěn)定了入池水流，降低了消力池內(nèi)各項水力學(xué)指標(biāo)，成功解決了消力池內(nèi)出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)式水躍問題?；谖蓜由淞骼碚摚捎靡宰畲笈R底流速為控制目標(biāo)的跌坎深度計算公式確定跌坎深度，通過水力模型試驗表明，具有較好的合理性和可靠性，可為其他實際工程提供參考。