某工程溢洪道消力池體型研究

曾貝佳

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶，401120)

1 工程概況

某水庫(kù)工程屬Ⅲ等(中型)工程，主要由樞紐工程、補(bǔ)水工程和灌區(qū)工程組成。樞紐工程由攔河壩、溢洪道、連通明渠、連通放空(導(dǎo)流)隧洞、左右干渠取水隧洞等建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位690.00m，校核洪水位691.16m，校核洪水269m3/s。

攔河壩為粘土心墻石渣壩，溢洪道布置于左壩肩，采用岸邊開敞式溢洪道形式，孔口尺寸9.0m×6.0m(寬×高)，溢洪道長(zhǎng)457.02m。溢洪道主要由進(jìn)水渠段、控制段、泄槽段、消能段、出水渠段等組成。溢洪道進(jìn)水渠長(zhǎng)100.0m，由長(zhǎng)70.0m的直段和長(zhǎng)30.0m的漸變段組成，底板高程684.00m，頂高程692.00m。直段右側(cè)為開敞式進(jìn)口，根據(jù)底板高程水平開挖；左岸為護(hù)坡結(jié)構(gòu)，邊坡1∶1.5?？刂贫尾捎糜虚l寬頂堰，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)18.0m。泄槽段水平總長(zhǎng)188.95m，為矩形斷面，寬9.0m，坡度1∶20泄槽長(zhǎng)100.0m，坡度1∶2.5泄槽長(zhǎng)66.45m，兩坡間設(shè)長(zhǎng)22.5m的底坡圓弧銜接段。

消能段采用底流消力池消能，底板高程647.50m，消力池長(zhǎng)50.0m，寬9.0m，設(shè)計(jì)體型尾坎高6.0m。出水渠長(zhǎng)95.07m，由長(zhǎng)55.07m的轉(zhuǎn)彎段和長(zhǎng)40.0m的直段組成，底寬9.0m，進(jìn)口底板高程650.00m，底坡1∶500。消力池具體布置如圖1所示，圖中s表示尾坎高度，設(shè)計(jì)體型為6.0m。

圖1 消力池布置

2 設(shè)計(jì)體型試驗(yàn)

圖2為不同工況下消力池及池后河道水流流態(tài)圖，設(shè)計(jì)體型(消力池尾坎高度s=6.0m)消力池段內(nèi)發(fā)生淹沒式水躍，消能效果較好，消力池后半部分水流比較輕順，出池水流流態(tài)已經(jīng)調(diào)整得比較良好。但是消力池尾坎較高，這一方面使得池內(nèi)水深較高，消力池邊墻也相應(yīng)增高，一定程度上增大了工程量；另一方面也使得水流出池后勢(shì)能再次轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，二次跌落非常明顯，試驗(yàn)測(cè)得(相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示)正常工況下尾坎頂部水流跌落下游河道后水流流速達(dá)到10.15m/s，而校核工況也達(dá)到了10.78m/s，這將對(duì)河道造成比較大的沖刷。另外，出水渠段水流狀態(tài)良好，流態(tài)平順，無不良水力現(xiàn)象。

圖2 不同工況消力池及下游河道水流流態(tài)

表1 不同工況時(shí)消力池及下游河道各水力參數(shù)

3 消力池尾坎高度研究

不同尾坎高度時(shí)消力池及下游河道水流流態(tài)如圖3所示，可以看到當(dāng)尾坎高度s≤4.5m時(shí)，池內(nèi)發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，出池水流依然攜帶有比較大的動(dòng)能，消力池消能作用不充分；而當(dāng)s=5.0m時(shí)，池內(nèi)發(fā)生淹沒式水躍。

圖3 不同尾坎高度時(shí)消力池及下游河道水流流態(tài)

正常工況下不同體型消力池及下游河道水力參數(shù)分布及對(duì)比如圖4所示(圖中虛線表示消力池范圍)，可以看到，各體系消力池及下游河道各水力參數(shù)分布規(guī)律基本一致。底板壓強(qiáng)在池首位置受水流方向突然變化而沖擊消力池底板使得動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為壓能從而使其突然增大，其后池內(nèi)壓強(qiáng)迅速減小后又逐漸增大，這主要是由于池內(nèi)發(fā)生水躍沿程水深逐漸增大(如圖4(b)所示)所致，各體型底板壓強(qiáng)及水深均在消力池池尾達(dá)到最大，并均在池后迅速減小并趨于平穩(wěn)。消力池內(nèi)水深及壓強(qiáng)基本隨著尾坎高度的增大而增大，這一方面有利于消力池內(nèi)形成完整、穩(wěn)定的水躍，但是當(dāng)尾坎高度達(dá)到某一極值后繼續(xù)增大尾坎高度將使得池內(nèi)水深過高從而增大工程量；同時(shí)池內(nèi)被大幅壅高的水位與下游河道形成過高的水位差，水流出池后形成二次跌落，流速再次增大，從而不利于下游河道的抗沖。

圖4(c)為消力池及下游河道臨底流速沿程分布，可以看到，高速水流進(jìn)入消力池后流速迅速減小并在池末位置達(dá)到最小值，當(dāng)s≤4.0m時(shí)水流出池后流速依然繼續(xù)減小，但是其減小幅度已經(jīng)相對(duì)較小；而當(dāng)s≥4.5m后出池水流流速又進(jìn)一步增大，這與典型的消力池水躍流速分布相似，即當(dāng)s≥4.5m后消力池內(nèi)基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完整的水躍。但是由于s=4.5m時(shí)池內(nèi)水躍尚不是非常穩(wěn)定，近似為臨界水躍，故而出池水流流速增大幅度相對(duì)較大；而對(duì)于s=6.0m的情況則是由于尾坎過高造成池內(nèi)水深過大引起出池水流二次跌落所致。

圖4(d)為出池?cái)嗝嫖恢酶魉?shù)對(duì)比情況，可以看到該位置水深及壓強(qiáng)隨著尾坎高度變化不顯著，但是流速差異較大，隨著尾坎高度的增大，流速先增大直至s=5.0m時(shí)顯著減小，而當(dāng)s>5.0m后流速又迅速增大，即s=5.0m時(shí)兼顧了消力池消能以及下游河道的防沖，故而將s=5.0m作為消力池尾坎的最終推薦方案。

圖4 不同體型水流水力參數(shù)分布及對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)某工程溢洪道消力池設(shè)計(jì)體型尾坎過高造成出池水流二次跌落掏刷的問題，研究了不同高度的尾坎體型，通過分析不同體型對(duì)各水力參數(shù)的影響，得到了較優(yōu)的尾坎高度，可以同時(shí)兼顧消力池消能以及下游河道的防沖，實(shí)現(xiàn)了出池水流與下游河道的良好銜接，實(shí)現(xiàn)了良好的消能防沖。優(yōu)化過程中的思路以及需要考慮的影響因素，可以為類似工程提供借鑒參考。